(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度応答切換型光フィルタであって、
基板と、
その基板によって支持されたダウンコンバータであって、広帯域を有する入射光を吸収するとともに、前記広帯域の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において光を放出するものと、
前記基板によって支持された第１のバンドブロックフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が第１領域内にある場合には、前記放出された光を遮断し、当該温度応答切換型光フィルタの温度が第２領域内にある場合には、前記放出された光を通過させるものと
を含む温度応答切換型光フィルタ。
【請求項２】
さらに、
前記基板によって支持された第２のバンドブロックフィルタを含み、
前記ダウンコンバータは、熱変色性であるとともに、前記第１のバンドブロックフィルタと前記第２のバンドブロックフィルタとの間に挟まれており、
前記放出波長は、前記ダウンコンバータの温度に応じて変化し、
前記基板は、透過性であり、
前記第１のバンドブロックフィルタは、前記ダウンコンバータの温度が第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を遮断し、前記ダウンコンバータの温度が第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を通過させ、
前記第２のバンドブロックフィルタは、前記ダウンコンバータの温度が前記第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を通過させ、前記ダウンコンバータの温度が前記第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を遮断する請求項１に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項３】
当該温度応答切換型光フィルタは、スパンドレルとして構成されており、
当該温度応答切換型光フィルタは、さらに、
熱変色性減衰器と、
透過性絶縁層と、  
裏板と、
エネルギー蓄積材料と
を含み、
前記基板は、前記スパンドレルの外板を形成するガラス板であり、
前記熱変色性減衰器は、前記ガラス板の内面を覆い、
前記ダウンコンバータは、無反射板であり、その無反射板は、前記ガラス板と前記熱変色性減衰器とを通過した入射光を吸収するとともに、前記放出波長において、前記入射光をダウンコンバートして光を放出し、
前記透過性絶縁層は、前記熱変色性減衰器と前記無反射板との間に位置し、
前記第１のバンドブロックフィルタは、前記無反射板の外面を覆う第１の低放射膜であり、
前記裏板は、前記スパンドレルの内板を形成するとともに、前記無反射板から隙間を隔てており、
前記エネルギー蓄積材料は、前記無反射板と前記裏板との間に挟まれている請求項１に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項４】
当該温度応答切換型光フィルタは、窓として構成されており、
前記基板は、ガラス板であり、
前記第１のバンドブロックフィルタは、前記ガラス板の表面を覆う低放射膜であり、
前記ダウンコンバータは、前記ガラス板によって支持された熱変色性フィルムであり、
前記放出波長は、前記ダウンコンバータの温度に応じて変化する請求項１に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項５】
さらに、
前記基板によって支持された第２のバンドブロックフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域内にある場合には、前記放出された光を通過させ、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第２領域内にある場合には、前記放出された光を遮断するものを含む請求項１、３または４に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項６】
さらに、
前記基板によって支持されたロングパスフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域内にある場合には、前記放出された光を通過させ、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第２領域内にある場合には、前記放出された光を遮断するものを含む請求項５に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項７】
さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
前記第１領域の温度が前記第２領域より低い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面から出射し、
前記第１領域の温度が前記第２領域より高い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記外面から出射し、
当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域と前記第２領域との間にある場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面および前記外面の双方から出射する請求項１ないし５のいずれかに記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項８】
前記ダウンコンバータは、
黒体放射器と、
蛍光材料と、
リン光性材料と、
フォトルミネッセンス材料と、
透過性素材内に埋め込まれた複数の量子閉じ込めデバイスと、
前記入射光が、吸収されることなく通過する穴部を有する材料と
のうち少なくとも一つを含み、
前記ダウンコンバータは、熱変色性であり、
前記放出波長は、前記ダウンコンバータの温度に応じて変化する請求項１ないし４のいずれかに記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項９】
前記第１のバンドブロックフィルタおよび前記第２のバンドブロックフィルタのいずれかまたは双方は、熱変色性である請求項５に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１０】
前記ダウンコンバータの前記放出波長は、可視スペクトルにおいて発生するか、赤外スペクトルにおいて発生するか、または、化学反応の最適触媒もしくは特定の光学的効果を実現するために選択される請求項１ないし４のいずれかに記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１１】
さらに、
前記入射光のうち、前記広帯域を占める部分を遮断する減衰器を含む請求項１または２に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１２】
前記減衰器は、
熱変色性液晶デバイスと、
熱変性液晶デバイスと、
熱変色性を有する光反射材料と、
熱変色性を有する赤外反射材料と
のうち少なくとも一つを含む請求項１１に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１３】
さらに、
制御システムと、
その制御システムと前記減衰器とに接続された電源と、
前記制御システムに接続された少なくとも一つのセンサと
を含み、
前記減衰器または前記ダウンコンバータは、さらに、電気変色性材料を含み、
前記減衰器が前記電気変色性材料を含む場合におけるその電気変色性材料は、前記入射光を通過させるかまたは前記入射光を前記ダウンコンバータに到達することから遮断するために、前記センサからのフィードバック信号に基づき、前記制御システムによって起動されるものであり、
前記ダウンコンバータが前記電気変色性材料を含む場合におけるその電気変色性材料は、前記放出される光の前記放出波長を変更するために、前記センサからのフィードバック信号に基づき、前記制御システムによって起動されるものである請求項１１に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１４】
さらに、
前記基板によって支持されたエネルギー蓄積材料を含む請求項１または２に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１５】
前記エネルギー蓄積材料は、相変化材料を含む請求項３または１４に記載の温度応答切換型光フィルタ。
【請求項１６】
光の流れと放射熱の流れとを調節する方法であって、
入射光を、複数の波長において、ダウンコンバータによって吸収する工程と、
前記入射光を、前記ダウンコンバータから、前記入射光の前記複数の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において放出する工程と、
少なくとも一つのバンドブロックフィルタにより、前記放出された光を反射する工程と
を含み、
前記放出された光は、周辺温度が第１領域内にある場合に、内向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が第２領域内にある場合に、外向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が前記第１領域と前記第２領域との間に位置する場合に、前記内向きと前記外向きとの双方に放散する方法。
【請求項１７】
さらに、
前記周辺温度に基づき、熱変色性減衰器により、前記入射光の通過および遮断を受動的にかつ選択的に行う工程を含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本出願は、２００７年１月２４日に出願された米国仮特許出願第６０/８９７，１８４号および２００７年５月２１日に出願された米国仮特許出願第６０/９３１，０６８号の優先権の効果を米国特許法第１１９条（ｅ）に従って主張しており、それぞれの出願は、引用により全体的に本明細書に合体する。
【技術分野】
【０００２】
本明細書に記載された主題は、固体および「準固体（近−固体、nearly solid state)」のデバイスに関しており、そのデバイスは、ダウンコンバージョンおよび選択的反射により、光および放射熱の流れを制御する。この技術は、受動型および能動型の温度調節を行うフィルム、材料およびデバイスにおいて、特に建材(construction materials)としての特定の用途を有するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００３】
光黒化材料(photodarkening materials)は、何十年にわたり、例えばサングラスのレンズにおいて、当該材料が紫外（ＵＶ）放射光(radiation)により励起されるときに入射光を選択的に減衰させるために使用されてきた。このような材料は、窓に組み込まれると、明るい太陽光を減衰させるためには黒化(darkning)により、また、人工光または拡散昼光が遮断されることなく通過することを可能にするためには再び透明にすることにより、構造物の内部温度を調節するために使用することができる。このようなシステムは、受動型であるとともに自己調節型であり、そのシステムの動作のために、周囲の紫外光を除き、外部信号を必要としない。しかしながら、このようなシステムは、温度よりむしろ紫外線により制御されるため、温度調節という用途においては実用性に限界がある。
【０００４】
電子黒化材料（electrodarkening materials）および光黒化材料は、反射よりむしろ主に吸収により入射光を減衰させ、このことは、それら材料に明るい光が照射されると、それら材料の温度が上昇することを意味する。これは、伝導性の熱流束(conductive heat flux)を作り出し、その熱流束は、放射光の透過(radiative transmission)の低下量を補ってしまい、よって、それら材料が温度を調節する能力に実質的な制限を課してしまう。
【０００５】
ある波長の光を吸収するとともにそれより長い他の波長の光を放出する現象（process)は、ダウンコンバージョンとして知られている。この現象は、自然界に存在する多数の蛍光材料、およびリンを含む多数のリン光性材料において発生する。エネルギー吸収材料からの黒体放射も、ダウンコンバージョンの一形態である。ダウンコンバージョンは、半導体材料においても発生し、その半導体材料は、フォトルミネッセンスとして知られている現象により、広い波長帯域にわたってエネルギーを吸収するとともに、それよりはるかに狭い波長帯域においてエネルギーを放出し、その帯域は、当該材料のバンドギャップエネルギーの帯域に依存する。ダウンコンバータは、半導体バルクの一片から容易に製作することができる。
【０００６】
荷電キャリア、例えば、電子または電子「ホール（正孔）」の量子力学的挙動（quantum mechanical behavior）を利用する微細構造の製法が十分に確立されている。キャリアの量子閉じ込め(quantum confinement)は、少なくとも１次元において、当該キャリアの量子力学的波長より短い寸法を有する構造によって実現し得る。１次元での閉じ込めは「量子井戸」を形成し、また、２次元での閉じ込めは「量子細線」を形成する。
【０００７】
量子ドットは、３次元のすべてにおいてキャリアを閉じ込めることが可能な構造である。量子ドットは、３方向のすべてにおいて、荷電キャリアのド・ブロイ波長より短い寸法を有する粒子として形成することができる。量子閉じ込め効果は、さらに、電子ホールのボーア直径、キャリア非弾性平均自由行程およびイオン化直径より短い寸法を有する粒子においても観察することができ、そのイオン化直径は、当該キャリアの量子閉じ込めエネルギーがそれの熱運動エネルギーと等しくなる直径である。最大の閉じ込め効果は、それらの基準のすべてが同時に満たされたときに観察することができると仮定される。そのような粒子は、半導体材料（例えば、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｓおよび他の材料）または金属により構成することが可能であり、また、絶縁膜(insulative coating)を有するかもしれないし有しないかもしれない。そのような粒子は、この書類において、「量子ドット粒子」と称される。
【０００８】
量子ドットは、電子構造であって、それに対応するバルク材料から大きく変更されたものを有することが可能であり、よって、様々な性質を有することが可能である。量子ドットは、それに固有の性質を有するため、種々の電子デバイス、光学デバイスおよび電子−光デバイスにおいて使用される。量子ドットは、現在、近単色蛍光光源、レーザ光源、赤外線（ＩＲ）ディテクタを含む光ディテクタ、および高度に小型化されたトランジスタであって単電子トランジスタ(single electron transistor)を含むものとして使用される。
【０００９】
金属および半導体のナノ粒子（例えば、装飾用の結晶における着色剤としての硫化カドミウム粒子）をバルク材料内に埋め込むことは、何世紀にわたり実施されてきた。しかしながら、それら材料の物理学（物理学的性質）が理解されたのは比較的最近のことにすぎない。それらナノ粒子は、量子ドットであり、それの特性は、当該量子ドットの大きさ(size)と組成によって決まる。それらナノ粒子は、選択された光学的または電気的な性質を変更するために当該ナノ粒子が埋め込まれる材料にとり、ドーパントとして作用する。それら量子ドットによって表される「人工原子」は、実用的な方法に関し、自然原子とは異なる性質を有する。しかし、量子ドットのドーピング特性は、その製作時点で固定されてしまい、事後的な調整が不可能であることに注目しなければらない。
【００１０】
Leatherdaleらは、"Photoconductivity in CdSe Quantum Dot Solids"（Physics Review B）（２０００年７月１５日）において、「２次元的および３次元的な・・・人工固体であってそれの光学的および電気的な性質が潜在的に調整可能である(可変である、tunable）もの」の製法を説明している。それら固体は、半導体基板上に被着されたコロイド半導体ナノ結晶により構成される。その結果物は、複数の量子ドット粒子により構成されるとともにそれら量子ドット粒子が規則正しく配列されたガラス質フィルム(ordered, glassy film)であり、このフィルムは、光学的および電気的な特性を変更するために、外部光源によって光学的に励起するか、または前記半導体基板に装着された電極によって電気的に励起することが可能である。
【００１１】
Burtが発明者である米国特許第５，８８１，２００号は、光ファイバを開示しており、その光ファイバは、（１）中空部(central opening)を含み、（２）その中空部は、コロイド溶液で充填されており、（３）そのコロイド溶液は、複数の量子ドットの溶液であり、（４）それら量子ドットは、支持媒体(support medium)内に存在する。前記量子ドットの目的は、例えば光増幅またはレーザ放射を行うために、光学的に励起されると、光を発生させることにある。前記量子ドットは、エルビウム(erbium)原子に取って代わり、そのエルビウム原子は、光ファイバにおいてドーパントとして使用されると、光学的増幅器を形成することが可能である。前記量子ドットの特徴は、その製作時点に選択された大きさおよび組成に影響され得る。このデバイスは、入力パス(path)すなわちソースパスと、出力パス(path)すなわちドレインパスを有するが、外部から制御(external control)を行う手段を有しておらず、そのため、このデバイスは、いかなる実質的な意味においても、「スイッチ」に該当しない。したがって、このデバイスは、前記光ファイバを通過する光エネルギーの流れを防止することも調整することもしない。
【００１２】
Goldhaber-Gordonらが著者である"Overview of Nanoelectronic Devices"(Proceedings of the IBEE, Vol. 85, No. 4（１９９７年４月）は、何が、大きさが最小であり得る単電子トランジスタである可能性があるかを説明している。その単電子トランジスタは、伝導性のＣ６ベンゼン分子により構成された「細線(wire)」により構成されており、その細線は、その細線と一列に並ぶように「共鳴トンネルデバイス(resonant tunneling device)」すなわち「ＲＴＤ」を伴い、そのＲＴＤは、絶縁体として作用する複数のＣＨ２分子に包囲された１個のベンゼン分子により構成されている。このデバイス（単電子トランジスタ）は、おそらく誤記であろうが、量子井戸（量子ドットではなく）として説明されているとともに、荷電粒子のための閉じ込め構造（機構）ではなく、スイッチングデバイスすなわちトランジスタとして意図されている。しかしながら、原則として、このデバイスは、少数の過剰な電子を収容することが可能であるはずであり、よって、量子閉じ込めデバイスとして作用することが可能であるはずである。したがって、著者らは、このデバイスは、「固体ＲＴＤより量子ドットに非常に似ている」かもしれないと述べている。（第１９頁を参照されたい）
【００１３】
Fanらが発明者である米国特許第６，５１２，２４２号は、量子効果を実現するデバイスを説明しており、そのデバイスは、量子細線（５０４）であって、電圧制御下において当該量子細線に沿ってエネルギーが運搬されるものと、エネルギーを収容する前記量子細線に近接した(near)量子ドット（５０２，５０３）とを有している。前記量子細線は、「共鳴トンネル効果」により、１個の量子ドットまたは複数の量子ドットに対して電子の搬入・搬出を行う。Fanらによって説明されているように、量子ドットは、「共鳴カップリング素子」として作用し、その共鳴カップリング素子は、電子的導波路として機能する量子ワイヤ間、または同一の導波路上の異なる複数のポート間において電子を運搬する。換言すれば、量子ドットは、ある種の導管（conduit)として作用する。
【００１４】
Stintzらによる米国特許出願の公開第２００２／００７９４８５号公報は、「量子ダッシュ」デバイスを開示しており、その量子ダッシュデバイスは、非球面でありかつ半径方向に非対称である１個の量子ドット粒子であって複数本の長い軸線を有するもの、または、量子細線の短い不連続セグメントとして考えることが可能である。この意味において、量子ダッシュは、特別な分類に属する複数の量子ドット粒子であるにすぎない。Stintzらによって説明されているように、複数の量子ダッシュデバイスは、固体材料内におけるレーザエネルギーの励起を向上させるために、その固体材料内の複数の特定の位置に埋め込まれる。その結果形成される構造は、「可変レーザ（波長可変レーザ、tunable laser)」であり、その可変レーザは、狭い領域にわたって調節可能な出力周波数を有している。このチューニングは、前記材料内の前記ダッシュに到達可能な入射光周波数を制限することを目的として、「波長選択的フィードバック」により、かつ、外部光学格子を用いて行われる。同公報は、「一様な大きさを有する複数の量子ダッシュの集まりであって理論的な複数の量子ドットとして機能するものであれば、原子に似た状態密度および光学的ゲインを有するであろう」と注記している。Stintzらは、特定の大きさおよび形状を有する量子ダッシュを形成するために、半導体材料についての厳密な幾何学と組成を利用している。したがって、利用可能な量子状態の選択は、その製作時点においてのみ、例えばＩｎＡｓ単層の被覆率、成長速度および温度を調節することにより、「長さ−幅−高さ間の種々の比率と共に」行われる。そのエネルギー（入射光）は、すべての量子ダッシュに均等に、それら量子ダッシュが埋め込まれる包囲材料にも影響を及ぼし、また、その包囲材料が不透明であると、光子エネルギーがそれら量子ダッシュに全く到達することができない。ここでも、このデバイスは、光スイッチに該当しない。
【００１５】
Stintzらによる米国特許出願の公開第２００２／０１１４３６７号公報は、「理想化された量子ドット層であって、バリア層間に挟まれた量子井戸層内に埋め込まれた複数の量子ドットを有するもの」を開示している。同様に、吉村らが発明者である米国特許第６，２９４，７９４号は、「活性層における複数の量子ドットであって、それら量子ドットが、前記活性層に対して直角な方向において非対称であるように変調された組成またはドーピングを有するようにされたもの」を開示している。それら量子ドット粒子は、光学結晶に埋め込まれたにすぎないものである。同様な量子ドット層構造が、杉山らが発明者である米国特許第６，２８１，５１９号に開示されている。
【００１６】
McCarthyらは、米国特許第６，９７８，０７０号において、バンク−アドレッサブルな(bank-addressable)複数の量子ドットデバイスを詳細に開示しており、それらデバイスは、基板（円筒状であるか、平坦であるか、他の形状であるかを問わない）の電気的、光学的、熱的、磁気的、化学的および機械的なバルク特性を、制御されかつ反復可能な方法で、変更するために、プログラマブルな（特性可変型）ドーパントとして使用することが可能である。このような制御は、その材料の製作時点のみならず、随時(in real time）、すなわち、使用時にも、変化する要求および条件に応じて、行うことが可能である。
【００１７】
McCarthyらによる米国特許出願の公開第２００６／００１１９０４号公報は、量子ドットをプログラマブルなドーパントとして取り込んだ多層複合フィルム(layered composit film)を開示している。基板のバルク特性であってその基板の表面近傍のバルク特性を変更するために、多数の量子ドットを制御するための手段が詳細に説明されている。当該デバイスは、制御線(control wires)または制御線枝部(control wire branches)に対して電源をオンオフするために、複数のスイッチを組み込むことが可能であるが、それらスイッチは、温度に応答するように制御されるわけではない。著者は、さらに、当該デバイスは、「固体サーマルスイッチとして使用可能であり、すなわち、当該デバイスは、熱伝導状態と熱遮断状態とに切り換わることが可能であり、これは、電子的トランジスタまたはレオスタットに対して熱的に等価であるものを形成する」と注記する。しかしながら、そのようなサーマルスイッチの構成は特定されておらず、例えば、前記制御線におけるスイッチ（１２２）のソース、ドレインおよびゲートは明確に図示されているが、入力パスおよび出力パスは図示も文章による説明もされていない。
【００１８】
Harrisonは、"Quantum Wells, Wires, and Dots"（John Wiley & Sons, Ltd.)(２０００年）において、「２次元電子ガス電界効果トランジスタ（ＴＥＧＦＥＴ)・・・「ヘテロ接合部が変調ドーピングされると発生する高度面内（ｘ−ｙ）移動を利用するように設計されたある種の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ)」の存在を注記している。この設計構造は、キャリアの１次元量子閉じ込め（すなわち、ｚ方向における閉じ込め）であって、ヘテロ接合部において（すなわち、電気的に非類似である２個の素材間の界面において）発生し得るものを含んでいる。しかしながら、キャリアは、ｘ−ｙ平面内で移動することが自由であるにすぎないという理由と、ｘ方向にもｙ方向にも量子閉じ込めは存在しないという理由により、１次元量子閉じ込めは、意図的に利用されると言うよりむしろ、偶然であり、また、当該デバイスの機能に必要な役割を果たさない。このデバイスはたしかにスイッチであるが、本質的に光学的であるというわけではないし、温度に応答するように制御されるものでもない。
【００１９】
Harrisonは、さらに、量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confined Stark Effect)として知られている効果を開示しており、その効果においては、量子井戸内に閉じ込められているキャリアのエネルギー準位(energy level)に影響を与えるために、その量子井戸に対して直角な方向に電界が印加される。この効果は、前記量子井戸の吸収スペクトルにわずかな影響しか有しないことが知られているが、その効果は、スイッチにおいてではなく、センサにおいて利用される。さらに、Harissonは、ＴＥＧＦＥＴデバイスまたは他のすべての形式のスイッチの挙動を変更するために、前記シュタルク効果が利用されてきたことを記述することも示唆することもしていない。
【００２０】
量子閉じ込めを利用するスイッチの他の一つの形式が存在する。それは、単電子トランジスタすなわちＳＥＴである。このＳＥＴは、量子ドット粒子または量子ドットデバイスに到達するソース（入力）パスと、励起を行うドレイン（出力）パスとにより構成されるととともに、前記ドットを制御するゲート電極を備えている。１個の電子がゲートパスを通過して当該デバイスに到達するのに伴い、前記スイッチは、導通状態すなわち閉じた状態から、非導通状態すなわち開いた状態に、または、それとは逆向きに切り換わる。しかしながら、ＳＥＴは、熱エネルギーの流れを制御するようにも光エネルギーの流れを制御するようにも設計されておらず、また、光ダウンコンバータもバンドブロックフィルタも組み込んでいない。
【００２１】
複数のサーマルスイッチも存在し、それらサーマルスイッチは、ＯＮ状態すなわち閉じた状態において熱エネルギーの通過を許容するが、ＯＦＦ状態すなわち開いた状態においてその通過を阻止する。しかしながら、それらスイッチは、機械式リレーであって、その機械式リレーは、熱の通過を可能にするために、２つの伝導性表面（一般的には、金属製）間の接触に依存する。それら２つの表面が退避すると、熱エネルギーが、エアギャップの経路を除き、それら表面間を伝わることができない。当該デバイスが真空下に置かれると、それが開いた状態において、熱伝導が全体的に阻止される。別の形式のサーマルスイッチは、チャンバに対する気体または液体の注入および吸引を行う。前記チャンバは、それが満杯になると、熱を伝える。前記チャンバが空であると、熱伝導は行われない。注目すべきことは、それらデバイスは、固体ではなく、多機能を有せず、プログラマブルでもなく、さらに、それらデバイスの動作のために、量子閉じ込めを利用しないということである。
【００２２】
複数の光スイッチも存在する。光は、光フィルタによって遮断することができ、その光フィルタは、ある周波数を有する光を吸収するか反射する一方、他の周波数を有する光を通過させる。ショートパスフィルタおよびロングパスフィルタを使用してもよく、または、狭い周波数帯域は、ノッチフィルタすなわちバンドブロックフィルタによって遮断することができる。今日、量子井戸、量子細線または量子ドット粒子をも組み込んだフィルタがいくつか存在する。
【００２３】
機械式シャッタを追加すれば、その機械式シャッタがなければ透明である材料（フィルタを含む）を光スイッチに転換することができる。その機械式シャッタが開いていると、光が容易に通過する。その機械式シャッタが閉じていると、光は通過しない。その機械式シャッタを液晶のような電子黒化材料に置き換えると、このスイッチは、「近−固体」となり、光子、電子および液晶分子自体を除き、運動する部分(moving parts)を有しなくなる。他の電子黒化材料が、例えば、Azenzらが発明者である米国特許第７，０９９，０６２号に記載されているが、この材料も、同様な機能を実現し得る。それら光学的フィルタ／スイッチ組合せ体は、受動的なものではなく、その動作に外部からの信号を必要とするものであることは、当業者にとって明白なことである。
【００２４】
本明細書の背景技術の欄に存在する情報であって、本明細書に引用されているすべての文献およびそれら文献の説明のすべてを含むものは、技術的な参照のみを目的としており、本発明の範囲が拘束されるべき主題として考慮すべきではない。
【発明の概要】
【００２５】
本明細書に開示されている技術は、放射エネルギーに関し、熱の流れを有用な方法によって制御することを目的として、材料の熱的な伝導性(conductivity)および透過性(transmissivity)を他から独立して制御することに向けられており、この技術は、前記材料を通過する放射エネルギーの光学的特性を維持することを必ずしも必要とはしない。具体的ないくつかの実施形態においては、当該技術は、温度に応答して動作する光ダウンコンバータを採用し、その光ダウンコンバータは、２個のノッチフィルタすなわちバンドブロックフィルタ間に挟まれており、それら２個のフィルタは、互いに異なる中心波長を有するか、または、１個の対象物に隣接して配置され、それらフィルタの目的は、しきい温度より低温であれば、入射エネルギーの大半が当該デバイスを通過し、また、第２のしきい温度より高温であれば、入射エネルギーの大半が反射するかもしくは吸収されてその後再び放射されるか、そうでなければ、当該デバイスから離れる向きに誘導されるように、光エネルギーの通過を制御することにあり、これにより、温度応答切換型光ダウンコンバーティングフィルタ(thermally switched optical downconverting filter)（以下、「ＴＳＯＤフィルタ」という。）が形成される。
【００２６】
このＴＳＯＤフィルタは、互いに区別可能な３つの挙動を示す。低温領域すなわちしきい温度より低温の領域においては、光エネルギーがこのＴＳＯＤフィルタを通過する。中間的な温度領域より高い温度であると、このＴＳＯＤフィルタは、それに当たる光エネルギーのうちのほぼ半分を反射するかまたは外向きに放射し、また、残りのほぼ半分を透過させる。高温領域すなわちしきい温度より高温の領域においては、このＴＳＯＤフィルタは、入射した光エネルギーのほぼ全部を反射するかまたは外向きに放射する。したがって、このＴＳＯＤフィルタは、建物および他の構造物の内部温度を、それら建物および他の構造物が吸収する太陽放射光の量を制御することにより、調節するために使用することが可能である。
【００２７】
このＴＳＯＤフィルタは、受動型であるとともに自己調節型であるデバイスであり、これは、いわゆるスマート材料であって、その機能実現のために、外部からの信号もユーザからの入力も必要としない。したがって、このＴＳＯＤフィルタは、固体光スイッチとして機能する。このスイッチは、光子および電子を除き、運動する部分(moving parts)を有しない。このＴＳＯＤフィルタは、さらに、温度に基づき、このＴＳＯＤフィルタを通過する光エネルギーの量を調節する。これは、太陽エネルギーまたは他の入射光エネルギーの吸収を制御することにより、建物、乗り物および他の構造物の内部温度を制御することを可能とする。
【００２８】
このＴＳＯＤフィルタの物理的な構成は、それの基本的な機能を実質的な方法で変更することなく、厚くしたり薄くしたり、強くしたり弱くしたり、硬質性としたり軟質体としたり、一体品としたり複数部品の結合体としたりすることが可能である。このＴＳＯＤフィルタが、可視光をほとんど透過させないかまたはまったく透過させないように構成される場合には、木、レンガ、グラスファイバおよびプラスタボード(drywall)のような不透明な建材にとり、見た目がよく、しかも、エネルギーを調節する代替品としての役目を果たすかもしれない。このＴＳＯＤフィルタが、拡散するかまたは減衰させられた可視光を透過させるように構成される場合には、ガラス製ブロック、プライバシーガラス(privacy glass)およびテクスチャ付きポリマ(textured polymers)のような透明な建材にとり、見た目がよく、しかも、エネルギーを調節する代替品としての役目を果たすかもしれない。このＴＳＯＤフィルタが、可視光を、拡散も減衰もほとんどなく、透過させるように構成される場合には、ガラス製またはポリマ製の窓のような透明な建材にとり、見た目がよく、しかも、エネルギーを調節する代替品としての役目を果たすかもしれない。このＴＳＯＤフィルタにおけるダウンコンバータが、可視光スペクトルにおいて単色光を放出するように構成される場合には、ステンドグラス、色付き窓(tinted windows)、窓のアップリケおよびフィルム(window appliques and coatings)、または着色された人工光の光源にとり、明るく、しかも、エネルギーを調節する代替品としての役目を果たすかもしれない。
【００２９】
本発明の他の特徴、詳細、実用性および効果は、添付した図面において図示されるとともに後続するクレームにおいて定義されているように、本発明の種々の実施形態についての、後述の、より具体的な説明から明らかとなるであろう。
本発明により、下記の各態様が得られる。
（１）  温度応答切換型光フィルタであって、
基板と、
その基板によって支持されたダウンコンバータであって、広帯域を有する入射光を吸収するとともに、前記広帯域の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において光を放出するものと、
前記基板によって支持された第１のバンドブロックフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が第１領域内にある場合には、前記放出された光を遮断し、当該温度応答切換型光フィルタの温度が第２領域内にある場合には、前記放出された光を通過させるものと
を含む温度応答切換型光フィルタ。
（２）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
前記第１領域の温度が前記第２領域より低い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面から出射する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
前記第１領域の温度が前記第２領域より高い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記外面から出射する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（４）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域と前記第２領域との間にある場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面と前記外面との双方から出射する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（５）  さらに、
前記基板によって支持された第２のバンドブロックフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域内にある場合には、前記放出された光を通過させ、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第２領域内にある場合には、前記放出された光を遮断するものを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（６）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
前記第１領域の温度が前記第２領域より低い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面から出射する（５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（７）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
前記第１領域の温度が前記第２領域より高い場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記外面から出射する（５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（８）  さらに、
前記入射光を受ける外面と、
内面と
を含み、
当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域と前記第２領域との間にある場合に、前記放出された光は、当該温度応答切換型光フィルタの前記内面と前記外面との双方から出射する（５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（９）  さらに、
前記基板によって支持されたロングパスフィルタであって、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第１領域内にある場合には、前記放出された光を通過させ、当該温度応答切換型光フィルタの温度が前記第２領域内にある場合には、前記放出された光を遮断するものを含む（５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１０）  前記ダウンコンバータは、黒体放射器である（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１１）  前記ダウンコンバータは、蛍光材料、リン光性材料またはフォトルミネッセンス材料である（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１２）  前記ダウンコンバータは、透過性素材内に埋め込まれた複数の量子閉じ込めデバイスを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１３）  前記ダウンコンバータは、前記入射光が、吸収されることなく通過する穴部を有する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１４）  前記基板は、透明である（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１５）  前記ダウンコンバータは、熱変色性であり、前記放出波長は、前記ダウンコンバータの温度に応じて変化する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１６）  前記第１のバンドブロックフィルタは、熱変色性である（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１７）  前記第１のバンドブロックフィルタおよび前記第２のバンドブロックフィルタの各々は、熱変色性である（６）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１８）  前記ダウンコンバータの前記放出波長は、可視スペクトルにおいて発生する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（１９）  前記ダウンコンバータの前記放出波長は、赤外スペクトルにおいて発生する（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２０）  前記ダウンコンバータの前記放出波長は、化学反応の最適触媒または特定の光学的効果を実現するために選択される（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２１）  前記基板は、ファブリック製またはポリマ製の軟質シートである（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２２）  前記基板は、ガラス製または透明もしくは半透明な硬質ポリマ材料である（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２３）  さらに、
前記入射光を当該温度応答切換型光フィルタの外面に向けて誘導するために配置された外部反射器を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２４）  さらに、
当該温度応答切換型光フィルタの外面に対して角度を有するように配置され、前記入射光を前記外面に到達することから、部分的に制限し、遮断し、吸収し、反射し、または減衰させる複数のフィンを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２５）  さらに、
前記入射光のうち、前記広帯域を占める部分を遮断する減衰器を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２６）  前記減衰器は、熱変色性液晶デバイスまたは熱変性液晶デバイスを含む（２５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２７）  前記減衰器は、熱変色性光反射材料を含む（２５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２８）  前記減衰器は、熱変色性赤外反射材料を含む（２５）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（２９）  さらに、
制御システムと、
その制御システムと前記減衰器とに接続された電源と、
前記制御システムに接続された少なくとも一つのセンサと
を含み、
前記減衰器は、さらに、電気変色性材料を含み、
その電気変色性材料は、前記入射光を通過させるかまたは前記入射光を前記ダウンコンバータに到達することから遮断するために、前記センサからのフィードバック信号に基づき、前記制御システムによって起動される（２７）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３０）  さらに、
制御システムと、
その制御システムと前記ダウンコンバータとに接続された電源と、
前記制御システムに接続された少なくとも一つのセンサと
を含み、
前記ダウンコンバータは、さらに、電気変色性材料を含み、
その電気変色性材料は、前記放出された光の前記放出波長を変更するために、前記センサからのフィードバック信号に基づき、前記制御システムによって起動される（２７）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３１）  さらに、
前記入射光の向きを当該温度応答切換型光フィルタの外面に向かう向きに変更するコリメータを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３２）  さらに、
前記入射光の焦点を当該温度応答切換型光フィルタの外面上に設定する集光レンズを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３３）  さらに、
当該温度応答切換型光フィルタから放出される光の強度を分散させる拡散器または拡散レンズを含む（３２）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３４）  さらに、
当該温度応答切換型光フィルタの内面と外面との少なくとも一方を覆う色フィルタを含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３５）  さらに、
当該温度応答切換型光フィルタの内面と外面との少なくとも一方を覆う反射防止膜を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３６）  さらに、
前記基板によって支持された断熱層を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３７）  前記断熱層は、さらに、エアギャップを含む（３６）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３８）  さらに、
前記放出された光を当該温度応答切換型光フィルタの内部に反射する広帯域反射器を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（３９）  さらに、
前記基板によって支持されたエネルギー蓄積材料を含む（１）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（４０）  温度応答切換型光フィルタであって、
第１のバンドブロックフィルタ層と、
第２のバンドブロックフィルタ層と、
前記第１のバンドブロックフィルタ層と前記第２のバンドブロックフィルタ層との間に挟まれた熱変色性のダウンコンバータ層であって、当該ダウンコンバータ層は、広帯域を有する入射光を吸収するとともに、前記広帯域の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において光を放出し、前記放出波長は、前記ダウンコンバータ層の温度に応じて変化するものと、
前記第１のバンドブロックフィルタ層と、前記第２のバンドブロックフィルタ層と、前記ダウンコンバータ層とを支持する透過性基板と
を含み、
前記第１のバンドブロックフィルタ層は、前記ダウンコンバータ層の温度が第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を遮断し、前記ダウンコンバータ層の温度が第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を通過させ、
前記第２のバンドブロックフィルタ層は、前記ダウンコンバータ層の温度が前記第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を通過させ、前記ダウンコンバータ層の温度が前記第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を遮断する温度応答切換型光フィルタ。
（４１）  前記ダウンコンバータ層の前記放出波長は、可視スペクトルにおいて発生する（４０）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（４２）  前記ダウンコンバータ層の前記放出波長は、赤外スペクトルにおいて発生する（４０）項に記載の温度応答切換型光フィルタ。
（４３）  （４０）項に記載の温度応答切換型光フィルタを含むスパンドレル。
（４４）  （４０）項に記載の温度応答切換型光フィルタを含む窓。
（４５）  スパンドレルであって、
当該スパンドレルの外板を形成するガラス板と、
そのガラス板の内面を覆う第１の熱変色性減衰器と、
その第１の熱変色性減衰器に隣接する無反射板であって、前記ガラス板と前記第１の熱変色性減衰器とを通過した入射光を吸収するとともに、前記入射光をダウンコンバートして、放出波長において光を放出するものと、
前記第１の熱変色性減衰器と前記無反射板との間に位置する透過性絶縁層と、
前記無反射板の外面を覆う第１の低放射膜と、
当該スパンドレルの内板を形成する裏板であって、前記無反射板に隙間を隔てて隣接するものと、
前記無反射板と前記裏板との間に挟まれたエネルギー蓄積材料と
を含むスパンドレル。
（４６）  さらに、前記第１の熱変色性減衰器の内面を覆う第２の低放射膜を含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（４７）  前記透過性絶縁層は、エアギャップである（４５）項に記載のスパンドレル。
（４８）  前記無反射板は、黒色に着色されている（４５）項に記載のスパンドレル。
（４９）  前記第１の熱変色性減衰器は、液晶板を含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５０）  前記第１の熱変色性減衰器は、熱変色性光反射材料のフィルムを含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５１）  前記第１の熱変色性減衰器は、熱変色性赤外反射材料のフィルムを含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５２）  さらに、
前記透過性絶縁層と前記第１の低放射膜との間に位置する第２の熱変色性減衰器を含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５３）  前記第２の熱変色性減衰器は、前記第１の熱変色性減衰器より高い遷移温度を有する（４５）項に記載のスパンドレル。
（５４）  前記裏板は、ガラス製、プラスチック製または金属製のシートを含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５５）  さらに、
前記裏板の内側に適用される美的表面処理材を含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５６）  前記エネルギー蓄積材料は、相変化材料を含む（４５）項に記載のスパンドレル。
（５７）  前記相変化材料は、少なくとも一つのワックスまたは塩を含む（５６）項に記載のスパンドレル。
（５８）  窓であって、
第１の窓ガラスと、
その第１の窓ガラスの表面を覆う第１の低放射膜と、
前記第１の窓ガラスによって支持された熱変色性ダウンコンバータフィルムと
を含み、
その熱変色性ダウンコンバータフィルムは、広帯域を有する入射光を吸収するとともに、前記広帯域の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において光を放出し、
前記放出波長は、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度に応じて変化し、
前記第１の低放射膜は、当該窓の温度が第１領域内にある場合には、前記放出された光を遮断し、当該窓の温度が第２領域内にある場合には、前記放出された光を通過させる窓。
（５９）  さらに、
前記熱変色性ダウンコンバータフィルムのうち、その熱変色性ダウンコンバータフィルムに関し、前記第１の低放射膜とは反対側の部分を覆う第２の低放射膜を含む（５８）項に記載の窓。
（６０）  さらに、
前記熱変色性ダウンコンバータフィルムのうち、その熱変色性ダウンコンバータフィルムに関し、前記第１の低放射膜とは反対側の部分を覆う第２の低放射膜と、
前記熱変色性ダウンコンバータフィルムから離れた位置にある第２の窓ガラスと、
その第２の窓ガラスと前記熱変色性ダウンコンバータフィルムとの間に挟まれた透過性絶縁層と
を含む（５８）項に記載の窓。
（６１）  前記透過性絶縁層は、エアギャップである（６０）項に記載の窓。
（６２）  前記第１の低放射膜は、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を遮断し、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を通過させ、
前記第２の低放射膜は、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が前記第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を通過させ、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が前記第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を遮断する（６０）項に記載の窓。
（６３）  さらに、
前記熱変色性ダウンコンバータフィルムから離れた位置にある第２の窓ガラスと、
その第２の窓ガラスを覆う第２の低放射膜と、
その第２の窓ガラスと前記第１の低放射膜との間に挟まれた透過性絶縁層と
を含む（５８）項に記載の窓。
（６４）  前記透過性絶縁層は、エアギャップである（６３）項に記載の窓。
（６５）  前記第１の低放射膜は、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を遮断し、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を通過させ、
前記第２の低放射膜は、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が前記第１しきい温度より低温である場合には、前記放出された光を通過させ、前記熱変色性ダウンコンバータフィルムの温度が前記第２しきい温度より高温である場合には、前記放出された光を遮断する（６３）項に記載の窓。
（６６）  さらに、
前記第１の窓ガラスによって支持された熱変色性減衰器を含む（５８）項に記載の窓。
（６７）  前記熱変色性減衰器は、前記第１の窓ガラスと前記第１の低放射膜との間に配置されており、それにより、前記第１の低放射膜が、前記第１の窓ガラスの表面に代えて、前記熱変色性減衰器の表面を覆う（６６）項に記載の窓。
（６８）  前記熱変色性減衰器は、液晶板を含む（６６）項に記載の窓。
（６９）  前記熱変色性減衰器は、熱変色性光反射材料を含む（６６）項に記載の窓。
（７０）  前記熱変色性減衰器は、熱変色性赤外反射材料を含む（６６）項に記載の窓。
（７１）  前記熱変色性ダウンコンバータフィルムは、複数の透過性通路を有する（５８）項に記載の窓。
（７２）  光の流れと放射熱の流れとを調節する方法であって、
入射光を、複数の波長において、ダウンコンバータによって吸収する工程と、
前記入射光を、前記ダウンコンバータから、前記入射光の前記複数の波長より実質的にまたは全体的に長い放出波長において放出する工程と、
少なくとも一つのバンドブロックフィルタにより、前記放出された光を反射する工程と
を含み、
前記放出された光は、周辺温度が第１領域内にある場合に、内向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が第２領域内にある場合に、外向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が前記第１領域と前記第２領域との間に位置する場合に、前記内向きと前記外向きとの双方に放散する方法。
（７３）  さらに、
前記周辺温度に基づき、熱変色性減衰器により、前記入射光の通過および遮断を受動的にかつ選択的に行う工程を含む（７２）項に記載の方法。
（７４）  建物の温度を調節する方法であって、
前記建物のうちの少なくとも一部の外面を、ダウンコンバータ層と少なくとも一つのバンドフロックフィルタとを有する積層材料によって被覆する工程と、
入射光を、複数の波長において、前記ダウンコンバータ層によって吸収する工程と、
前記入射光を、前記ダウンコンバータ層から、赤外波長において放出する工程と、
前記少なくとも一つのバンドブロックフィルタにより、前記放出された光を反射する工程と
を含み、
前記放出された光は、周辺温度が第１しきい温度より低温である場合に、内向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が第２しきい温度より高温である場合に、外向きに放散し、
前記放出された光は、前記周辺温度が前記第１しきい温度と前記第２しきい温度との間に位置する場合に、前記内向きと前記外向きとの双方に放散する方法。
（７５）  前記被覆物は、さらに、熱変色性減衰器層を含み、
当該方法は、さらに、
前記周辺温度に基づき、前記熱変色性減衰器層により、前記入射光の通過および遮断を受動的にかつ選択的に行う工程を含む（７４）項に記載の方法。
【００３０】
すべての図面において、互いに密接に関係する複数の要素に、同一の符号が付されていることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、ＴＳＯＤフィルタの一実施形態を概略的に示す断面図であり、この断面図は、２個のバンドブロックフィルタ間に挟まれるとともに透過性基板に装着されたダウンコンバータ材料の層を示している。入射光の挙動が、このＴＳＯＤフィルタの低温状態について示されている。
【００３２】
【図２】図２は、図１に示す実施形態についての概略的な断面図であるが、入射光の挙動は、前記ＴＳＯＤフィルタの高温状態について示されている。
【００３３】
【図３】図３は、光強度と波長との関係を示す図であり、この図は、外部光源の放出スペクトルと、前記ダウンコンバータの低温状態および高温状態の、蛍光材料スペクトルまたはフォトルミネッセンススペクトルと、ＴＳＯＤフィルタの一実施形態についての前記２個のバンドブロックフィルタの反射スペクトルを示している。
【００３４】
【図４】図４は、ＴＳＯＤフィルタの別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、前記外部光源からの光が、変調なしで、前記ＴＳＯＤフィルタを通過することを可能にするために、前記ダウンコンバータ内に複数の穴(holes)が存在する。
【００３５】
【図５】図５は、ＴＳＯＤフィルタのさらに別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、任意に選択可能な多数の部品が、当該デバイスの性能および美観を改善するために追加されている。
【００３６】
【図６】図６は、ＴＳＯＤフィルタのさらに別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、前記外部光源からの白色光が、前記ダウンコンバータに当たる前に、集光レンズを通過する。
【００３７】
【図７】図７は、ＴＳＯＤフィルタのさらに別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、構造的な（構成要素としての）基板とバンドブロック反射器が単一部品に結合されており、当該デバイスの「構造外観(building exterior、建物外観、建物エクステリア）」側の近傍位置に熱変色性減衰器が採用されており、さらに、当該デバイスの「構造内部(building interior、建物内部、建物インテリア)」表面に前記ダウンコンバータが再配置されている。
【００３８】
【図８】図８は、ＴＳＯＤフィルタの別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、前記ダウンコンバータが熱変色性減衰器としても作用する。
【００３９】
【図９】図９は、ＴＳＯＤフィルタのさらに別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタにおいては、熱変色性減衰器が前記透過性基板の内部表面上に配置されており、一方、バンドブロックフィルタと透過性インシュレータが単一部品に結合されている。
【００４０】
【図１０】図１０は、ＴＳＯＤフィルタの別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタは、スパンドレル（三角小間、spandrel)という形態で特定の用途を有する可能性を有している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
ここに開示されている技術は、温度応答切換型光ダウンコンバーティングフィルタ（ＴＳＯＤフィルタ）を作り出すために、少なくとも一つのバンドブロックフィルタに関連して、熱変色性光ダウンコンバータを用いることに向けられており、ＴＳＯＤフィルタは、低い周辺温度では光エネルギーの通過を可能にし、高い周辺温度では光エネルギーを反射し、すなわち、外向きに放射する。この技術は、建物または他の構造物の暖房および冷房を受動的に調節するために、スパンドレル、窓およびサイディング(siding、羽目板)のような建材において使用することによく適している。例えば、周辺気温が低い冬には、ＴＳＯＤフィルタを組み込んだ建材は、前記建物を受動的に暖房するために、入射する太陽光からの太陽エネルギーのうちの大部分を、前記建物の内部に進入させることができる。同様に、周辺気温が高い夏には、ＴＳＯＤフィルタを組み込んだ建材は、入射する太陽光からの太陽エネルギーのうちの大部分が前記建物の内部に進入することを防止して、前記建物を涼しく維持することができる。
【００４２】
この書類の解釈上、「スイッチ」という用語は、エネルギーの流れを選択的に遮断または許可するための固体デバイス、化学的デバイスおよび機械的デバイスを含み、さらに、デジタルスイッチ（例えば、トランジスタおよびリレー）およびアナログレギュレータ（例えば、チューブ（tube、真空管）およびレオスタット）の双方を含む。さらに、気体または流体の流れを選択的に遮断または許可するためのバルブ(valve)は、スイッチに類似するものと考えることができ、その結果、原則として、それら二つの用語は、相互に置換して使用することができる。この定義によれば、ＴＳＯＤフィルタは、 当該デバイスの温度に基づき、「開いた」状態、すなわち、透過状態から、「閉じた」状態、すなわち、反射／放射光遮断状態に移行する固体光スイッチである。
【００４３】
この書類の解釈上、「受動的な」という用語は、対象物またはデバイスであって、環境条件に応答するが、外部信号またはオペレータからの指示から独立して動作するものを意味する。したがって、デバイスは、多数の複合部品（運動する部品である場合もある）を含んでもよく、また、この書類の解釈上、このようなデバイスを依然として、「受動的な」ものとして考えてもよい。同様に、ユーザのオーバーライド（優先）モードが存在する可能性があるが、その存在は、いかなる本質的な方法によっても、このようなデバイスが受動的であるという本質を変更しない。これに対し、能動的なデバイスは、それの通常の機能を実現するために、ユーザによる入力を必要とするものである。（それら定義によれば、光に反応するサングラスは、受動的なデバイスであり、一方、壁のスイッチによって動作する標準的な電球は、能動的なデバイスである。）
【００４４】
ＴＳＯＤフィルタは、ダウンコンバータを含み、そのダウンコンバータは、入射光（例えば、太陽光）を、そのスペクトルのうちの大部分（一般に、可視光、近紫外光および近赤外光を含む）にわたり、種々の波長において、吸収し、また、このダウンコンバータは、光を、周波数の別の領域（一般には、赤外であるが、それに代えて他の波長を使用してもよい）において、吸収した光より低いエネルギー（すなわち、より低い周波数またはより長い波長）において放出するように、蛍光を発するかフォトルミネッセンス発光を行う。リン光体のような多くのバルク材が、このような方法で蛍光を発するかフォトルミネッセンス発光を行うことがよく知られている。いくつかの半導体は、それらのバンドギャップエネルギーにおいて光を放出することが特に知られている。量子井戸、量子細線、量子ダッシュおよび量子ドットのようないくつかの量子閉じ込め構造を、ダウンコンバータとして使用してもよい。量子閉じ込め構造は、半導体よりはるかに高い効率を有する傾向があり、すなわち、量子閉じ込め構造は、吸収したエネルギーのうちの半分以上の部分(a larger percentage)を再放出する。
【００４５】
黒体放射器を、ダウンコンバータとして使用してもよい。黒体放射器は、蛍光を発するのではなく、放射光（例えば、可視光）を吸収するとともに、その放射光を、それより長い波長（例えば、赤外）で再放出する。黒体放射器の形式の一例は、簡単なことに、鋼または他の金属の一片であって広帯域吸収を保証するために黒に着色される可能性があるものとしてもよい。黒体放射器の他の例であってＴＳＯＤフィルタにおいて使用されるかもしれないものは、暗い色に着色されたポリマおよびセラミック、ハニカムおよび他の構造物であって航空宇宙産業から派生した「精密黒体」型のもの、または暗い（理想的には黒い）塗料の単なる膜を含んでもよい。
【００４６】
ダウンコンバータは、「熱変色性」であるように選択しても設計してもよい。換言すれば、当該材料の放出ピークは温度と共に変化する。多くの材料は、この特性を持つことを知られている。黒体放射器は、そのピーク出力波長をウィーンの法則に従ってシフトさせる。いくつかの半導体材料は、それらの放射波長すなわち「色」を変化させ、その理由は、温度が、それら半導体材料の原子間距離すなわち格子定数に影響を与えて、それら半導体材料の有効バンドギャップを変化させるということである。しかし、量子閉じ込め構造（典型的には、量子井戸、量子細線および量子ドット）の有効なバンドギャップは、量子閉じ込め構造の組成および格子定数の関数であることに加えて、量子閉じ込め構造のサイズの逆関数である。したがって、それら構造は、ある程度は熱変色性でもある。
【００４７】
ＴＳＯＤフィルタの他の部品は、ノッチフィルタすなわちバンドブロックフィルタであり、このフィルタは、特定の波長の領域において光を高い比率で反射するとともに、注目するスペクトル（典型的には、近紫外光、可視光（ＶＩＳ）および近赤外光）の領域内における他の波長において光を高い比率で透過させる。紫外光（ＵＶ）／可視光（ＶＩＳ）／近赤外光（ＮＩＲ）のバンドブロックフィルタの例は、 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であって、屈折率が異なる２種類の透過性素材が交互に並んだ複数の層を使用するものと、ルゲートフィルタ（rugate filter）であって、当該材料の一面から他面に向かって屈折率が緩やかに変化することを利用するものとを含んでいる。低放射性(low emissivity)の膜またはフィルム、例えば、インジウム・スズ酸化物(indium tin oxide)の膜または他の金属酸化物の膜も、バンドブロックフィルタとして機能することが可能である。本明細書において使用されるように、「膜(coating)」および「フィルム（film）」という用語は、相互に置換して使用することが可能であり、各用語は、他方の用語を、いかなる特定の実施例であっても、それに適用可能である限り、包含することを意図している。通常のガラス製のシート(sheet)またはホウケイ酸塩(borosilicate)を含有するガラス（ホウケイ酸ガラス）製のシート(sheet)、およびバンドブロックフィルタについての他の多くの形式も存在し、それらは、互いに同等な効果を有するように、ＴＳＯＤフィルタにおいて使用することが可能であり、それらは、ＴＳＯＤフィルタの設計、機能および実用性について実施可能な例を十分に説明するために、ここでの詳述は不要である。バンドブロックフィルタは、それの１個の遮断帯域または複数の遮断帯域において、光を透過させるため、ＴＳＯＤフィルタに当たる入射光（例えば、太陽光）の大半は、減衰も反射もほとんど伴うことなく、当該バンドブブロックフィルタをそのまま通過する。光バンドブロックフィルタ、赤外バンドブロックフィルタおよび紫外バンドブロックフィルタは、それの先行技術においてよく知られており、ここでの詳述は不要である。
【００４８】
ＴＳＯＤフィルタの多くの実施形態は、熱変色性フィルタすなわち減衰器をも含み、その減衰器は、入射した放射光(incoming radiation)（例えば、可視光）に対する透過率が温度と共に変化するいかなる材料、対象物、デバイスまたはメカニズムとして定義される。例えば、熱変性液晶を、それの各面上の偏光子と組み合わせて、減衰器として使用してもよい。この構造物は、通常は透明であるが、透明点として知られているしきい温度を超えるか、または、電界が存在すると、黒色に（吸収性を有するように）変化する。
【００４９】
多くの実施例においては、ダウンコンバータが、低温状態において、バンドブロックフィルタを通過する白色光を吸収するとともに、単色光（例えば、２０００ｎｍの波長を有する近赤外光）を放出する。この光は、そのダウンコンバータ層により、あらゆる向きに放出されるが、この放出光のうち非常に多くの部分は、基本的には、ＴＳＯＤフィルタに対して直角すなわち垂直である。この光のうちの５０％は、内向きに通過し、残りの５０％は、外向きに通過する。しかし、ダウンコンバータの放出ピーク波長がバンドブロックフィルタの遮断帯域内にある場合には、この光は、逆向きに反射してダウンコンバータを再び通過する。したがって、ＴＳＯＤフィルタを通過する白色光は、それより低い周波数／それより長い波長の光に変換され、その光は、入射してきた経路に沿って逆向きに放散することが防止される。この光は、その後、第２のバンドブロックフィルタを通過し、その第２のバンドブロックフィルタは、低温状態において、単色光が当該第２のバンドブロックフィルタを、減衰することなく通過するように選択されている遮断帯域を有する。
【００５０】
しかしながら、ダウンコンバータがしきい温度より高温となると、そのダウンコンバータの放出ピークが、いずれのバンドブロックフィルタの遮断帯域からも外れるように、シフトする。この場合には、いずれのフィルタも単色光を反射しないため、ダウンコンバータの放出光の半分は、当該デバイス内に放射され、残りの半分は、当該デバイス外に放射される。したがって、当該デバイスによって透過させられる全エネルギーは、低温状態で透過させられる全エネルギーの半分となる。
【００５１】
最後に、ダウンコンバータが第２のしきい温度より高温となると、そのダウンコンバータの放出ピークが、外側バンドブロックフィルタの遮断帯域から外れるとともに、内側バンドブロックフィルタの遮断帯域内に位置する。この場合には、当該デバイスから外向きに放射される単色光は、退出することが許可され、一方、当該デバイス内に放射される単色光は、逆向きに反射して再び外に出る。したがって、当該デバイスに当たる入射光エネルギーのうち当該デバイスを通過するものはほとんど存在しない。その代わり、その光は、単色光に変換され、その後、外向きに反射する。
【００５２】
その結果、ＴＳＯＤフィルタは、互いに異なる３つの挙動を示し、すなわち、低温においては、ＴＳＯＤフィルタは、光エネルギーを透過させる。中間温度においては、ＴＳＯＤフィルタは、それに当たる前記光エネルギーの略半分を反射すなわち外向きに放射するとともに、残りの半分を透過させる。高温においては、ＴＳＯＤフィルタは、前記入射光エネルギーのほぼ全部を反射すなわち放射する。したがって、ＴＳＯＤフィルタは、建物および他の構造物が吸収する太陽放射光の量を制御することによって、それら建物および他の構造物の内部温度を調節するために使用することが可能である。
【００５３】
ＴＳＯＤフィルタは、建物の温度を、その建物が吸収する太陽放射光を制御することによって調節する際に、特定の用途を有するが、それに限定されない。一方、ＴＳＯＤフィルタを、低温状態での光の吸収率または高温状態での光の除去率を改善することによるか、または、ＴＳＯＤフィルタの熱伝導率を低下させることにより、ＴＳＯＤフィルタの性能を向上させることが可能である。さらに、ダウンコンバータ層の厚さ、光学濃度（吸光度）または構成（配置）を調整することにより（例えば、ダウンコンバータ材料の複数のストライプまたはスポットを透過性素材を用いて交互に並べることにより）、ＴＳＯＤフィルタの透明度（transparency、透過度）を増加させることが可能である。したがって、ＴＳＯＤフィルタについては、フィン、コリメータ、拡散器、減衰器、反射防止膜、集光レンズ、エアギャップもしくは真空ギャップ、または、半透明の熱インシュレータ（発泡ガラスおよびシリカ・エアロゲルを含むが、それらに限定されない）のような光学的特徴を追加することにより、特定の用途についてＴＳＯＤフィルタの機能を向上させてもよい。
【００５４】
ＴＳＯＤフィルタの材料および構造は、硬質のものでよいが、そのＴＳＯＤフィルタが本明細書に記載された機能を実現するために硬質であることは要求されない。さらに、ＴＳＯＤフィルタのうちの種々の部品が、互いに接着（結合）されるか、または、直に物理的に互いに接触するように、図示されるとともに文章によって説明されているが、ＴＳＯＤフィルタは、それら部品が互いに隣接しているのみで、物理的には互いに分離していても、機能する。したがって、ＴＳＯＤフィルタは、１個の固体物（例えば、レンガ、スパンドレルまたは可動パネル）または複数の固体物の集まり（例えば、光ワークベンチに取り付けられる複数の部品）として具体化することが可能であるが、ＴＳＯＤフィルタは、例えば、テント材、毛布、カーテン、またはアップリケ・フィルム（ガラス窓、スパンドレルまたはガラス製ブロック建材の表面に付着され得るもの）のような軟質物として具体化することも可能である。
【００５５】
ＴＳＯＤフィルタにおけるエネルギー輸送は、ダウンコンバータの出力波長が可及的に長いときに、最大限制御されるが、その出力波長は、美観向上を目的とするか、または実用的な光の光源として機能するように、可視スペクトルの領域内に存在するように選択することが可能である。ダウンコンバータの出力波長は、さらに、化学反応または生体力学的反応の最適な触媒についての放出波長を実現するように選択することも可能である。例えば、その放出波長は、光合成もしくは日焼けを促進するためか、または、レーザと同様に、結晶の励起のような特定の光学的効果を実現するために、最適化することが可能である。ダウンコンバータのフォトルミネッセンス特性のおかげで、ＴＳＯＤフィルタから出力される着色光は、単に白色光を色フィルタを通過させることによって実現され得る光より実質的に明るい。さらに、特定の波長を有する光を反射するために少なくとも一つの別のバンドブロックフィルタを当該デバイスに追加することにより、当該デバイスの効率に対する影響を最小にしつつ、当該デバイスの表面に、反射性を有する「色」を加えることが可能である。これによって発生する光学的特性は、他のいかなる建材の光学的特性にも十分に近似しない。
【００５６】
図１は、ＴＳＯＤフィルタ１００の一実施形態を概略的に示す断面図であり、この図は、２つのバンドブロックフィルタ１０１および１０３間に挟まれたダウンコンバータ層１０２であって、透過性基板(transparent substrate、透明基板）１０４に装着されたものを示している。最も一般的な事例においては、外部光源は白色光、すなわち、可視、近紫外および近赤外のスペクトルのうちの有効帯域にわたり、有効強度を有する光である。ＴＳＯＤフィルタ１００の一使用例においては、外部光源が太陽である。しかし、ＴＳＯＤフィルタ１００は、外部光源が白色光ではなく、例えば、青空の拡散放射エネルギーである場合に、作用することもある。
【００５７】
入射光は、まず、外側バンドブロックフィルタ１０１を通過する。一実施形態においては、そのバンドブロックフィルタ１０１は、非常に狭い遮断帯域（１００ｎｍ以下の帯域幅）を、前記スペクトルのうちの赤外領域（すなわち、７５０ｎｍ以上の複数の波長）において有している。バンドブロックフィルタ１０１の形式の例としては、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）またはルゲートフィルタがある。それら２種類の反射器は、種々の材料から製作することが可能である。いくつかの実施例においては、バンドブロックフィルタ１０１は、２種類の透明なポリマ（例えば、ポリスチレン（ＰＳ）およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））が交互に並んだ複数の層により構成されたＤＢＲとすることが可能である。当業者であれば、それら層を、種々の標準的な蒸着（被着）法（ここでの詳述は不要である）により形成することが可能であることが理解される。しかし、いくつかの実施例においては、それら層を、溶媒に単一のポリマが溶解した液体を用いて、複数の層を基板にスピンコートすることによって形成することが可能である。
【００５８】
入射光のスペクトルのうち、前記遮断帯域内にある部分は、バンドブロックフィルタ１０１により、それから離れる向きに反射する。しかし、前記遮断帯域の帯域幅および中心波長は、一般に、それらの反射損失が最小となるように選択される。例えば、海面上での太陽光スペクトルのうち２％のみが、２０００ｎｍと２２００ｎｍとの間の波長領域に発生する。したがって、この領域において光を反射するバンドブロックフィルタは、それにもかかわらず、入射太陽光のうちの９８％までの光を透過させる。
【００５９】
入射光（例えば、太陽光）は、外側バンドブロックフィルタ１０１を通過すると、ダウンコンバータ１０２に進入し、このダウンコンバータ１０２は、高エネルギー光を種々の波長において吸収するとともに、常にその吸収波長と等しいかまたはそれより長い波長の単一かつ狭い帯域において前記光を再放出するデバイスまたは材料である。例えば、ダウンコンバータ１０２の一例であって２０００ｎｍに放出ピークを有するものは、その放出ピークより短い波長を有する光を吸収するとともに、そのエネルギーを、２０００ｎｍを中心とする狭いガウス帯域において再放出する。一般に、ダウンコンバータ１０２は、それの放出ピークより長い波長を透過させ（に対して透明となり）、その結果、外側バンドブロックフィルタ１０１を通過する太陽光がダウンコンバータ１０２に照射されると、ダウンコンバータ１０２の前記一例は、２０００ｎｍより長い波長を有する入射した放射光（全エネルギーのうちの約７％）が、減衰することなく通過することを可能とする。
【００６０】
このような挙動は、種々のデバイスおよび材料によって示され、それらデバイスおよび材料は、吸収するとともに熱的に再放射する黒体と、バンドギャップエネルギーにおいて放出ピークを有するバルク半導体とを含んでいる。しかし、量子井戸、量子細線および量子ドットのような量子閉じ込め構造は、一般に、バルク半導体より高い光学的効率を有しており、その結果、入射光の大部分が、吸収されるとともに変換され、この際、その入射光のうちわずかな部分のみが、外向きに反射し、透過し、または、余剰熱として放散する。いくつかの実施例においては、ダウンコンバータ１０２が、透明なポリマに埋め込まれた複数の量子ドット粒子により構成される。しかし、そのダウンコンバータ１０２は、量子井戸、量子細線の配列体、半導体のようなバルク材、ドーピングされるかもしくは構造化されたフォトニック材、または黒体吸収器／放射器とすることも可能である。
【００６１】
量子ドット粒子の構造、組成、製法および機能は、概略的に、Leeらによる米国特許出願の公開第２００３／００６６９９８号公報が教えており、この公報は、その全部が本明細書に記載されているかの如く、引用によって本明細書に合体させられる。量子ドットデバイスのいくつかの例の構造、組成、製法および機能は、発明者がFutatsugiである米国特許第５，８８９，２８８号公報が教えており、この公報は、その全部が本明細書に記載されているかの如く、引用によって本明細書に合体させられる。アドレッサブルな量子ドット配列の構造、組成および製法は、発明者がMcCarthyらである米国特許第６，９７８，０７０号公報が教えており、この公報は、その全部が本明細書に記載されているかの如く、引用によって本明細書に合体させられる。当業者であれば、前記ＴＳＯＤフィルタにおいてダウンコンバータとして採用されるいかなる量子閉じ込め構造またはデバイスも、光ダウンコンバージョンの本質的機能を依然として実現しつつ、Leeら、FutatsugiおよびMcCarthyらによって説明されたものとは異なる設計構造を有するものとすることが可能であることが理解される。
【００６２】
図１には、入射光の挙動が、ＴＳＯＤフィルタ１００の低温状態について示されている。ダウンコンバータ１０２は、入射光を、吸収するとともに、外側バンドブロックフィルタ１０１の遮断帯域内の波長において再放出する。したがって、ダウンコンバータ１０２によって外向きに放出された光はすべて、逆向きに反射して当該デバイスの内部に向かう。しかし、低温状態においては、ダウンコンバータ１０２の出力波長が、内側バンドブロックフィルタ１０３の遮断帯域外にある。したがって、ダウンコンバータ１０２によって内向きに放出された光はすべて、透過性基板１０４に進入してそこを通過する。
【００６３】
図２は、ＴＳＯＤフィルタ１００の高温状態についての入射光の挙動を示していることを除き、図１に示す実施形態を概略的に示す断面図である。ダウンコンバータ１０２は、入射光を、吸収するとともに、外側バンドブロックフィルタ１０１の遮断帯域外にある波長において再放出する。したがって、ダウンコンバータ１０２によって外向きに放出された光はすべて、退出することを許容される。しかし、高温状態においては、ダウンコンバータ１０２の出力波長が内側バンドブロックフィルタ１０３の遮断帯域外にある。したがって、ダウンコンバータ１０２によって内向きに放出された光はすべて、逆向きに反射し、透過性基板１０４に到達することもそこを通過することもない。
【００６４】
したがって、ＴＳＯＤフィルタ１００の低温状態においては、そのＴＳＯＤフィルタ１００の外面に入射した光エネルギーのうちのほとんどを、長い波長の光（例えば、赤外光）として、ＴＳＯＤフィルタ１００の内面を通過するように再放出させて、透過させ、一方、高温状態においては、ＴＳＯＤフィルタ１００が、このエネルギーを、逆向きに放出して前記外面を通過させ、そのエネルギーを効果的に除去、すなわち、外向きに反射する。その結果、ＴＳＯＤフィルタ１００の温度に基づき、建物内に進入する光すなわち放射熱の流れを調節するためにＴＳＯＤフィルタ１００を使用することが可能である。
【００６５】
上記の説明から、当業者であれば、本実施形態においては、透過性基板１０４が構造的な支持および簡便さのみを目的として存在することが認識される。この部品は、ＴＳＯＤフィルタ１００の機能を実質的に変更することなく、省略することが可能である。これに代えて、透過性基板１０４は、ＴＳＯＤフィルタ１００の内面上にではなく、外面上に配置することが可能であり、または、透過性基板１０４は、両面上に配置することが可能であり、または、ＴＳＯＤフィルタ１００の機能を実質的に変更することなく、そのＴＳＯＤフィルタ１００のうちの少なくとも１つの機能層間に挿入することも可能である。さらに、透過性基板１０４が図１および図２に示すように、当該デバイスの内面上に配置される場合には、透過性基板１０４は、すべての波長を透過させる（に対して透明である）必要はなく、実際、透過性基板１０４の通過帯域内にダウンコンバータ１０２の出力波長が存在する限り、ロングパスフィルタとしたり、ショートパスフィルタとしたり、バンドパスフィルタとすることが可能である。換言すれば、透過性基板１０４に要求されることは、ダウンコンバータ１０２が低温状態において放出する波長を透過させる（に対して透明である）ことのみである。しかし、簡便さおよびコストのために、一般に、ガラスまたはアクリルのような一般的な透過性素材を透過性基板１０４として用いることがより簡単であろう。
【００６６】
図３は、光強度と波長との関係を示す図であって、外部光源の放出スペクトルと、低温状態および高温状態におけるダウンコンバータ１０２の蛍光スペクトルまたはフォトルミネッセンススペクトルと、ＴＳＯＤフィルタ１００の一実施例における２つのバンドブロックフィルタ１０１および１０３の反射スペクトルとを示している。ＴＳＯＤフィルタ１００の温度が変化するにつれて、ダウンコンバータ１０２の放出ピークが増減するが、その放出ピークは、低温状態においては、外側バンドブロックフィルタ１０１の反射帯域の範囲内にあり、また、高温状態においては、内側バンドブロックフィルタ１０３の反射帯域の範囲内にある。中間の温度においては、前記放出帯域が、それらフィルタ１０１および１０３の反射帯域から外れるかもしれない。しかし、前記放出帯域が、それらフィルタ１０１および１０３の反射帯域内に存在する状況は存在しない。したがって、ＴＳＯＤフィルタ１００の温度に応じて、ダウンコンバータ１０２によって放出される光が、内向きに反射するか、外向きに反射するか、または、内向きと外向きとに均等に放射される。
【００６７】
説明の便宜上、内側に位置するフィルタ１０３がバンドブロックフィルタとして説明されているが、このフィルタ１０３は、ロングパスフィルタに置き換えてもよく、そのロングパスフィルタは、そのフィルタ１０３と等価なバンドブロックフィルタと同じ高域カットオフ波長を有する遮断帯域を有するが、低域カットオフ波長は、原則として、ゼロである。このフィルタは、ＴＳＯＤフィルタ１００が、波長が長すぎるためにダウンコンバータ１０２によって吸収されない波長を透過させることを阻止するが、このフィルタは、ＴＳＯＤフィルタ１００の本質的機能を阻害しない。
【００６８】
さらに、ＴＳＯＤフィルタ１００の一実施例を、ダウンコンバータ１０２が熱変色性ではないように、すなわち、すべての温度に対して単一の放出ピークを示すように、設計することが可能である。この場合、外側バンドブロックフィルタ１０１および内側バンドブロックフィルタ１０３は、その代わり、熱変色性でなければならない。このことは、例えば、非常に高い熱膨張係数を有する材料によって製作された分布ブラッグ反射器において起こる。そのような効果は、非常に高い温度領域を除き、利用することが困難であるかもしれないが、そのような実施形態は、特定の用途においては適切であるかもしれない。
【００６９】
図４は、ＴＳＯＤフィルタ１００の別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタ１００においては、ダウンコンバータ１０２内に複数のギャップ１０５が、外部光源からのある程度の白色光が、そのまま、ＴＳＯＤフィルタ１００を通過することを可能にするために存在する。それらギャップ１０５は、穴(holes)またはストライプという形態を採用することが可能であり、または、これに代えて、ダウンコンバータ材料それ自体を、ストライプまたはスポットとすることが可能である。注目すべきことは、ダウンコンバータ１０２が液体または粒子材料（例えば、透過性ポリマ内に浮遊している複数の量子ドット）によって構成される場合、この材料を、溶剤に溶かし、複数の穴(holes)が穿設されたステンシルを通過させて、「上塗り」することが可能である。その後、他の塗装と同様に、前記溶剤は、前記ダウンコンバータ材料をスポットのパターン、または前記ステンシルが有するかもしれない他のパターンで残しつつ、蒸発することが許容される。しかし、当業者であれば、ギャップ１０５を形成する他の多くの方法が存在することが理解され、それら方法は、ここでの詳述を要しない。本実施形態は、例えば、内側から外側が比較的明瞭に見えることが要求される窓において有用である可能性がある。この場合、ダウンコンバータ１０２の減衰または制限は、通常の窓ガラスを通した見え方と同様である。
【００７０】
均質なダウンコンバータに代えて、ギャップ１０５を有するダウンコンバータ１０２を使用することにより、すべての条件のもとで、ＴＳＯＤフィルタ１００を通過するエネルギーの透過量が増加し、よって、ＴＳＯＤフィルタ１００が高温状態において放射熱を除去する能力が低下する。しかし、この構成は、低温状態での性能が高温状態での性能より重要である状況下において有利である可能性がある。
【００７１】
図５は、ＴＳＯＤフィルタ１００の別の実施形態を概略的に示す断面図であり、このＴＳＯＤフィルタ１００においては、任意に選択可能な(optional)多数の部品が、当該デバイスの性能および美観を向上させるために追加されている。外側バンドブロックフィルタ１０１、ダウンコンバータ１０２、内側バンドブロックフィルタおよび透過性基板１０４の機能は、図１および図２について説明されたものと同一である。しかし、前記任意に選択可能な複数の部品はそれぞれ、新しい機能部品として作用し、その新しい機能部品は、当該デバイスの全体の性能および／または美観に影響を及ぼす。それら任意に選択可能な複数の部品は、すべて互いに独立して作動しており、すなわち、いずれの部品も、それの機能を実現するために、任意に選択可能な他の部品に依存しない。便宜上、本実施形態は、図５に示すように、任意に選択可能な複数の部品のすべてが同時に使用されるものとして説明されるが、通常の知識を有する読者であれば、それら任意に選択可能な複数の部品のうちの一部は存在するが一部は存在しないことが許されることを考えれば、可能な組合せは、極めて多数であるとともに、それら組合せを個々に説明することは不要であることが理解される。
【００７２】
光が外側バンドブロックフィルタ１０１に入射する前に、その光は、まず、一組のフィン１０８を通過する。もっとも簡単な実施例によれば、それらフィン１０８は、水平方向において互いに平行な複数のストリップ（短冊）であり、それらストリップは、不透明であるか、反射性を有するか、または半透明な材料により構成され、それらストリップは、入射角がＴＳＯＤフィルタ１００の表面に対してちょうど直角であるかまたはほぼ直角である場合には、そのまま通過することを可能とするが、当該デバイスの表面に対してほぼ平行である角度で入射する光については、制限し、遮断し、吸収し、反射し、または減衰させることを可能とする。入射光が太陽光であり、かつ、ＴＳＯＤフィルタ１００が垂直方向に（例えば、壁または窓の一部として）向いている場合には、このような構成によれば、太陽が低く空に位置するとき（例えば、冬季）には、より多くの光が入射することを可能にし、一方、太陽が高く位置するとき（例えば、夏季）には、より少ない光が入射することを可能にする。したがって、ＴＳＯＤフィルタ１００においては、暑い気候においては、外側からの放射熱を除去する能力が改善されている。当業者であれば、それらフィン１０８は、それらの本質的な機能を変更することなく、他の種々の形態を採用可能であることが理解される。それらフィン１０８は、本明細書において示されるものとは異なる形状を有することが可能であり、そのような形状は、不透明な楔および円筒、または種々の形状を有する透過性レンズを含んでいる。これに対し、回折格子、フレンネルレンズ（Fresnel lens）または他の光学素子であってＴＳＯＤフィルタ１００に装着されるかもしくはＴＳＯＤフィルタ１００の表面に装着されるかまたはエンボス可能されたものを、特定の角度で当該デバイスに入射する複数の光子(photons)のみがダウンコンバータ１０２に到達することが可能となるように入射光を曲げるために使用することが可能である。
【００７３】
入射光は、フィン１０８を通過した後、続いてコリメータ１０７に入射する。そのコリメータ１０７は、前記入射光を「直線化」して、その入射光のすべてが、コリメータ１０７内に留まっている間、ＴＳＯＤフィルタ１００の複数の層に対して直角な方向に進行するようにすることを目的とする。ダウンコンバータ１０２またはバンドブロックフィルタ１０１，１０３であって、顕微鏡でしか見えない複数の結晶粒(microscopic grains)、複数のセル、複数の粒子または複数の層が結晶のように周期的に配列されたものを組み込んでいるものについては、入射角は、光学特性に実質的な影響を及ぼす可能性があり、また、コリメータ１０７を追加することにより、そのような影響が望ましくない状況において、そのような影響が低減されることが支援され得る。コリメータ１０７の形式の例としては、中空円筒、複数の光ファイバが融着されたもの、または、ミネラル・ウレキサイト（「ＴＶ石」としても知られている）の構成を採用することが可能であるが、他の形式も存在する。
【００７４】
入射光は、コリメータ１０７を通過した後、減衰器１０６に入射する。その減衰器１０６の最も単純な形式は、前記入射光の一部をすべての波長において遮断し、それにより、前記入射光のスペクトルに実質的な影響を及ぼすことなく、前記入射光の強度を減少させるＮＤ(neutral-density)フィルタである。このような減衰器１０６を追加することにより、光エネルギーがＴＳＯＤフィルタ１００を透過する透過率がすべての温度領域において低下し、それにより、ＴＳＯＤフィルタ１００が低温状態において放射熱を誘導する能力が制限される。このことは、高温状態での性能が低温状態での性能より重要である用途において有用である可能性がある。通常の知識を有する当業者であれば、いくつかの用途については、コリメータ１０７の内部に、減衰器１０６またはダウンコンバータ１０２のような他の部品を配置することが有用であることに注目するが、図５には、このようにはコリメータ１０７が図示されていない。
【００７５】
これに対し、他の用途においては、減衰器１０６を非ＮＤ(non-neutral density)フィルタすなわち色フィルタと共に使用することがより望ましい可能性がある。例えば、ショートパスフィルタは、ダウンコンバータ１０２が吸収および再放射することができないほどに長い複数の波長を有する光を、自身から離れる向きに反射するために使用することができ、なぜなら、それら複数の波長は、ＴＳＯＤフィルタ１００を温度に応答して切り換えることによって制御することができないからである。減衰器１０６は、分布ブラッグ反射器またはルゲートフィルタのようなバンドブロックフィルタであって狭い波長帯域内において光を反射するものとすることも可能である。このような減衰器１０６は、ダウンコンバータ１０２に利用可能な（入射可能な）エネルギーの量をわずかに減少させ、このことは、特定の用途においては有用である可能性があり、また、このような減衰器１０６は、ＴＳＯＤフィルタ１００の外面に、反射する「色」を提供することも行い、このことは、その色が可視スペクトラムの範囲内にある場合に、美観向上のために作用する可能性がある。
【００７６】
さらに別の状況においては、減衰器１０６は、光黒化、光変色、電子黒化(electrodarkening)または電気変色(electrochromic)を行う材料またはデバイスとすることが可能であり、その材料またはデバイスには、その材料またはデバイスを作動させるために必要であるかも知れない支援ハードウエア（例えば、光起電性の電池、温度センサ、および、電解質系(electrolyte-based)電気変色性フィルタの明度を増減させるための制御回路）が付加される。減衰器１０６は、シャッタ、カーテンまたは１組のルーバとすることも可能であり、そのシャッタ、カーテンまたは１組のルーバには、センサ、電源、および、前記シャッタ、カーテンまたは１組のルーバを作動させるのに必要な制御システム（例えば、特定の形式の温度計において見られるような温度感応型バイメタルコイル）が付加される。形式が互いに異なる複数の減衰器を同じＴＳＯＤフィルタ１００に含ませることも可能である。
【００７７】
一実施例においては、減衰器１０６が、熱変色性材料または熱黒化材料とすることが可能であり、その熱変色性材料または熱黒化材料の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび／または反射スペクトルは、温度によって変化する。熱変色材料の形式は、例えば、酸化亜鉛(加熱されると、透明から黄色に変色し、光を反射する)、液晶（一定のしきい温度を超えると、入射した可視光の一部を吸収しまたは反射するように調製することが可能である）、および、タングステンがドーピングされた酸化バナジウム（しきい温度より高い温度で光を反射し、そのしきい温度は、当該材料の組成のうちのタングステンの割合によって部分的に決定される）を含んでいる。
【００７８】
入射光がダウンコンバータ１０２内において単色光にダウンコンバートされ、かつ、その入射光が内側バンドブロクフィルタ１０３および透過性基板１０４を通過すると、その入射光は、その後、色フィルタ１０９を通過し、その色フィルタ１０９は、美観向上のためにＴＳＯＤフィルタ１００の内面に反射色を提供することを目的とする。一態様においては、その色フィルタ１０９は、可視スペクトルの範囲内にある遮断帯域を有するバンドブロックフィルタとすることが可能である。しかし、その色フィルタ１０９は、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタもしくはバンドパスフィルタ、または、積層された（すなわち、加算的な）複数のフィルタの組合体とすることも可能である。色フィルタ１０９の一つの遮断帯域または複数の遮断帯域がダウンコンバータ１０２の出力波長を含まない限り、ＴＳＯＤフィルタ１００の機能は維持されるとともに、当該デバイスが低温状態においてエネルギーを透過させる能力も、高温状態においてエネルギーを除去する能力も低下しない。
【００７９】
任意に選択可能な別の部品は、外部反射器１１２であって、その外部反射器１１２は、望遠鏡のミラー(telescope mirror)が物体の集光面積を増加させる方法と同じ方法で、ＴＳＯＤフィルタ１００の集光面積を増加させることを目的とする。この外部反射器１１２は、ほとんどいかなる形状も採用することが可能であり、また、種々の外部位置（その数は、本明細書において詳述するには多すぎる）を保有することが可能である。この外部反射器１１２の最も簡単な形式は、例えば、地面に設置された通常のミラーであり、そのミラーは、光をＴＳＯＤフィルタ１００に向けて上向きに反射する。 このような部品は、おそらく、当該デバイスそれ自身の一部品というよりむしろ、ＴＳＯＤフィルタ１００の機能を向上させる外部補助部品(external enhancement、エンハンスメント)、または、ＴＳＯＤフィルタ１００に対する付属品であろうが、いくつかの実施例においては、そのような反射器１１２が、ＴＳＯＤフィルタ１００の一部品として一体的に組み込まれる。
【００８０】
図５には図示されていないが、任意に選択可能な他の補助部品(enhancement、エンハンスメント)は、ＴＳＯＤフィルタのうちの一部の部品またはすべての部品の表面に反射防止膜を付加することを目的とし、そのような表面は、特に、外気、もしくは内部のエアギャップ、ガスギャップ（例えば、アルゴンまたはクリプトンで充填されたギャップ）もしくは真空ギャップ、または、一つの素材の屈折率がそれの隣接物の屈折率とは大きく異なる他の界面に臨まされている表面である。本明細書において、「エアギャップ」という用語は、エアギャップ、ガスギャップおよび真空ギャップを包括的に含むために使用され、また、この用語は、特に明示されない限り、そのように解釈すべきである。一般的に、そのような反射防止膜は、顕微鏡でしか見えないほどに薄く、また、組成に関しては、具体的な用途と、組み合わされた２つの素材のそれぞれの反射率とに応じて広範囲に異なる。この技術は、その先行技術において十分に説明されており、ここでの詳述は不要である。
【００８１】
図６は、ＴＳＯＤフィルタ１００の別の実施形態を概略的に示す図であり、このＴＳＯＤフィルタ１００においては、外部光源からの白色光が、外側バンドブロックフィルタ１０１およびダウンコンバータ１０２に当たる前に、集光レンズ１１０を通過する。その集光レンズ１１０は、レンズのうちの広い領域からの入射光を、バンドブロックフィルタ１０１およびダウンコンバータ１０２のうちの狭い領域に投影し、それにより、前記光の強度を局部的に増加させることによって光学的効率を増加させるという目的、またはバンドブロックフィルタ１０１，１０３およびダウンコンバータ１０２の小型化を可能にすることによって必要な材料の量を減少させるという目的が達成される。この集光レンズ１１０は、種々の形式（標準的な凹部および凸部の設計構造から、球状、円錐状、円筒状または他の形状までのものであって、前記入射光を、種々の方法で、種々の領域上に、または、種々の程度で集光するために設計されたもの）を用いることが可能であり、また、この集光レンズ１００は、カメラまたは望遠鏡と同様に、複数枚のレンズの直列複合体とすることが可能である。
【００８２】
集光された光（例えば、集光された太陽光）は、しばしば、火災または負傷の原因となるため、本実施形態は、光がＴＳＯＤフィルタ１００から、集光されたビームという形態で出射することを防止するために、拡散器すなわち拡散(de-concentrating)レンズ１１１を含むものとすることが可能である。集光レンズ１１０と同様に、拡散器１１１も種々の形式を用いることが可能であるが、拡散(de-concentrating or diffusing)光は、要求がそれほど厳しくない用途であるため、拡散器１１１がとり得る種々の形式は、集光レンズ１１０がとり得る形式ほどには限定されていない。しかし、拡散器１１１が存在しない場合には、ＴＳＯＤフィルタ１００は、赤外ビーム発生器としてのいくつかの用途を有しており、その赤外ビーム発生器は、いくつかの点で、レーザと類似しており（コヒーレントではないが）、その赤外ビーム発生器は、例えば、適度な距離を隔てて動作する水加熱器のような、オンオフが可能な調理器や加熱器において用いることが可能である。
【００８３】
通常の技術を有する読者であれば、上述のいくつかの実施形態のうちのいずれのＴＳＯＤフィルタ１００も、２つのバンドブロックフィルタ１０１および１０３のうちの一方が省略された状態では、低下した能力で機能することになるということに気が付く。外側バンドブロックフィルタ１０１が存在しない状態では、ＴＳＯＤフィルタ１００は、高温状態と中間温度状態とにおいては、依然として正常に機能するが、低温状態においては、エネルギーを効率的に捕捉しないであろう。すなわち、低温状態では、中間温度状態と同様に動作し、入射エネルギーのほぼ半分を捕捉するとともに残りの半分を逆向きにかつ外向きに放射する。そのような実施形態においては、低温状態での性能が重要な問題ではない暑い気候において、組立ておよび配置がより簡単にまたはより安価になるかもしれない。
【００８４】
外側バンドブロックフィルタ１０１は存在するが内側バンドブロックフィルタ１０３は存在しない状態では、ＴＳＯＤフィルタ１００は、低温状態と中間温度状態とにおいては、正常に機能するが、高温状態においては、光エネルギーを効率的に除去（反射すなわち外向きに放射）しないであろう。すなわち、高温状態では、中間温度状態と同様に動作し、入射エネルギーのほぼ半分を外向きに放射し、一方、残りの半分が当該デバイスを通過することを可能にする。そのような実施形態においては、高温状態での性能が重要な問題ではない寒い気候において、組立ておよび配置がより簡単にまたはより安価になるかもしれない。いずれの場合にも、熱変色性の減衰器１０６をＴＳＯＤフィルタ１００の一部品として用いれば、当該デバイスの切換性（変換性、switchability)を改善し得る。
【００８５】
一実施形態においては、集光レンズ１１０および拡散レンズ１１１は、ＰＭＭＡのようなポリマであって透明でかつ平坦であるものにより形成するとともに、フレネルのパターンでエッチングすることが可能である一方、バンドブロックフィルタ１０１，１０３および１０９は、透過性ポリマ（例えば、ＰＳおよびＰＭＭＡ）製の複数の層により構成されたＤＢＲとすることが可能であり、また、ダウンコンバータ１０２は、半導体量子ドット粒子（例えば、テルル化カドミウム製ナノ粒子）であってＰＳのような透過性ポリマ内に浮遊しているものにより構成することが可能である。フィン１０８は、白色であり、かつ、反射性を有するポリマにより構成することが可能であり、また、コリメータ１０７は、融着された光ファイバによって構成することが可能であり、また、透過性基板１０４は、透過性ポリマによって構成することが可能である。ＴＳＯＤフィルタ１００の全体は、硬質性のパネルまたは軟質性のアップリケ・フィルムを形成することが可能であり、それらパネルまたはアップリケ・フィルムは、窓ガラス、ガラス製スパンドレルおよびガラス製ブロックのような透過性建材に、既存の構造物に対する改良品として、または、独立して取り付けられる建物構造物として装着することが可能である。
【００８６】
これに対し、集光レンズ１１０および拡散レンズ１１１は、単一部品として結合することが可能であり、その単一の部品は、例えば、透過性ロッドすなわち光ファイバであって、中間部においては細い(thin)が、両端部においてはフレアを有するものである。そのような態様によれば、透過性部品（例えば、基板１０４）を、光ファイバの配列体によって完全に貫通させられる不透明部品に置換することが可能である。このことは、コスト、良好な絶縁性、構造的強度という理由または他の理由のために行うことが可能である。
【００８７】
図７は、ＴＳＯＤフィルタ１００の別の実施形態を概略的に示しており、このＴＳＯＤフィルタ１００においては、内側バンドブロックフィルタ１０３が省略されるとともに、外側バンドブロックフィルタ１０１が透過性基板１０４に結合されて単一部品とされている。一方、ダウンコンバータ１０２は、「建物内部」の表面と同じ位置にまたはそれの近傍位置に配置され、また、熱変色性減衰器１０６は、「建物外部」すなわち当該デバイスの向日面と同じ位置もしくはそれの近傍位置に配置されている。
【００８８】
この書類の解釈上、「熱変色性減衰器」という用語は、温度に応答して、色、透明度、減衰率または反射率を変化させる受動的なデバイスのみならず、複数の部品を有する複合デバイスをも含むように理解すべきである。例えば、電気変色性減衰器であれば、電源、制御系および温度センサと組み合わされて、自然に熱変色する材料と同じ機能を果たすとともに、その自然に熱変色する材料と置換可能な状態で用いることが可能であるが、図７には、そのようには当該デバイスは図示されていない。
【００８９】
本実施形態においては、白色光が減衰器１０６に入射し、その減衰器１０６においては、白色光が、高温状態で吸収されるかまたは反射され、その結果、ＴＳＯＤフィルタ１００の内部に進入することが許可される放射光は最小であるかまたは全く存在しない。低温状態においては、熱変色性減衰器１０６は、より高い透過率を有し、その結果、放射光（例えば、太陽光）が、透過性基板１０４を通過することが許可されるとともにダウンコンバータ１０２に当たることが許可される。
【００９０】
他の実施形態とは異なり、本実施形態における熱変色性のダウンコンバータ１０２は、入射した放射光をそれより長い赤外波長（一般的には、＞５０００ｎｍ）に、低温状態においてそのダウンコンバータ１０２の出射放射光が基板１０４によって反射されるように、変換する。これにより、基板１０４が、バンドブロックフィルタ１０１として機能し、その結果、ダウンコンバータ１０２の全出力がＴＳＯＤフィルタ１００の内部から離れる向きに反射するとともに内面を通過して出射することが可能となる。高温においては、ダウンコンバータ１０２の出力がより低い周波数に向かってシフトし、このシフトは、しきい温度を通過するとともに、放出放射光が、基板１０４のカットオフ波長を超えてその基板１０４の通過帯域内に位置することを始めるまで、継続する。一般的な透過性ガラスおよび透過性プラスチックについては、この通過帯域は、約２００ｎｍの波長と約５０００ｎｍの波長との間に発生する。換言すれば、基板１０４は、それら２つの波長の間に位置する放射光に対しては透過性を有し、それより短いかまたは長い波長の放射光に対しては非透過性（通常は、反射性）を有する。しかし、高温状態においては、減衰器１０６は、放射光がダウンコンバータ１０２に到達して再放出されることを制限するかまたは阻止する。
【００９１】
本実施形態の一つの効果は、ダウンコンバータ１０２の本質的機能を変更することなく、ダウンコンバータ１０２の「建物内部」の表面を、事実上、塗料の化学的性質をいずれでも用いて、いずれの色にも着色することが可能であるということである。このことは、旧式の蒸気放射器に着色することと同様である。これに対して、内面は、顔料の有無を問わず、石膏、化粧しっくい(stucco)または他の処理材(treatment)で覆うことが可能である。
【００９２】
さらに、本実施形態は、透過性絶縁材１１３を、任意に選択可能な層として備えている。一実施例においては、この絶縁材１１３は、シリカ・エアロゲルにより構成してもよく、そのシリカ・エアロゲルは、他の透過性素材で密封される可能性がある。しかし、他の透過性素材であって、可視光および近赤外光の放射的透過にほとんど影響を与えることなく、熱の伝導および対流を阻害するものも利用可能であり、そのような透過性素材は、ガラス製もしくはポリマ製のビーズもしくは中空の球体、バブルラップ(bubble wrap)または複数枚の透過性シートが順に積層されたものを、硬質であるか軟質であるかを問わず、含んでいるが、それらに限定されない。
【００９３】
図８は、本発明はさらに別の実施形態を概略的に示す図であり、本実施形態においては、透過性基板１０４と外側バンドブロックフィルタ１０１が、図７と同様に、単一部品に結合されており、さらに、ダウンコンバータ１０２と熱変色性減衰器１０６が単一部品に結合されている。
【００９４】
本実施形態においては、減衰器１０６に熱変色性または電気変色性の材料という形態を採用してもよく、その材料は、高温状態においては反射し（例えば、白色、金属色または鏡面であり）、低温状態においては吸収する（例えば、黒色である）。図８は、減衰器１０６を、電源１１５と温度センサ１１６とコントローラ１１７とによって制御される色を有する電気変色性材料として示している。一実施例においては、電源１１５は、光起電性電池であり、また、温度センサ１１６は、熱電対のような固体電子センサであり、減衰器１０６とダウンコンバータ１０２との結合体は、「電子ペーパ」のような、２色で、コントラストが高い電気変色性材料により構成されており、また、コントローラ１１７は、電源１１５と温度センサ１１６とにワイヤによって接続された回路基板である。温度を検出し、光起電性エネルギーを調節し、そして電気変色性材料の色を制御する方法は、それの先行技術において十分に理解されており、ここでの詳述は不要である。
【００９５】
白色光（例えば、太陽光）は、透過性基板１０４に入射すると、その透過性基板１０４を通過して減衰器１０６に到達し、その減衰器１０６は、高温状態において、その白色光を反射し、その結果、その白色光は、透過性基板１０４を通過して当該デバイスから出射する。低温状態においては、入射した放射光が減衰器１０６によって吸収され、その減衰器１０６はその後、温度が上昇し、そのエネルギーを長波長赤外光として再放出する。したがって、減衰器１０６は、さらに、ある形式のダウンコンバータ１０２としても機能する。
【００９６】
このエネルギーがダウンコンバータ１０２により、低温状態において、赤外光として再放出されると、そのエネルギーは、その後、図７と同様に、透過性基板１０４から反射するとともに、ＴＳＯＤフィルタ１００の「建物内部」の表面を通過して出射する。これに対して、そのエネルギーは、任意に選択可能なミラーまたは広帯域反射器１１４に当たることが可能であり、そのミラーまたは広帯域反射器１１４は、前記エネルギーを逆向きに反射して、ダウンコンバータ１０２に再び入射させる。読者は、この状況において、赤外光がダウンコンバータ層から放散し得ないことと、すべての室内暖房が熱伝導のみによって達成されることに注目するであろう。この場合、当該デバイスの幾何学および組成が、全体的に、熱伝導が、望ましい方向に（建物に向かって）支配的に行われ、他の方向への漏れが最小であるように設計されるであろう。
【００９７】
別の実施例においては、減衰器１０６が、低温状態においては吸収し、高温状態においては透過する（例えば、透明または半透明である）。この実施例においては、高温状態において、入射した白色光が減衰器１０６を通過してミラー１１４に当たり、そのミラー１１４は、前記白色光を逆向きに反射して、透過性基板１０４を通過して出射させる。低温状態においては、その光が、前述のように、ダウンコンバートされ、その後、ダウンコンバータ内に捕捉される。しかし、この構成は、高温状態において、熱を除去すること、すなわち、放射エネルギーを外側に誘導することについて特に有効である。
【００９８】
図８は、さらに、任意に選択可能な別の部品、すなわち、エネルギー蓄積材料１１８も示しており、そのエネルギー蓄積材料１１８は、ダウンコンバータ１０２からの熱を吸収するとともにその熱を長時間にわたり再び解放する。一実施例においては、そのエネルギー蓄積材料１１８は、相変化材料であり、その相変化材料は、非常に多量の融解熱と、室温に近い温度または他の目標温度に設定された融点とを有している。そのような材料（一般的には、ワックスまたは特定の塩）は、完全に液化することも完全に固化することもない限り、一定の温度を維持し、よって、入射する放射光における大きな変化を平滑化することに適している。相変化ワックスの例であってエネルギー蓄積に使用することが可能であるものは、一般的なパラフィンである。グラウバー塩（硫酸ナトリウム十水和物）は、いくつかの実施例においてエネルギー蓄積のために使用可能である一般的な塩である。
【００９９】
図９は、ＴＳＯＤフィルタ１００の別の実施形態を概略的に示す図であり、このＴＳＯＤフィルタ１００においては、熱変色性減衰器１０６が、透過性基板１０４の外面上にではなく内面上に配置されている。さらに、バンドブロックフィルタ１０１と透過性インシュレータ１１３が単一部品として結合されている。この層は、減衰器１０６を建物内部から分離し、その結果、高温状態において減衰器１０６によって吸収されたエネルギーが、建物内部に再放射されない。理想的には、インシュレータ１１３の断熱値は、透過性基板１０４のそれより実質的に大きく、その結果、減衰器１０６からの伝導熱の輸送は、建物内部よりむしろ、建物外部に主に向けられる。この構成により、当該デバイスを、既存の透過性建物部品（窓、ガラスブロック製壁およびガラス製スパンドレルを含む）のための改良品であって、それら透過性建物部品を、能動的に熱を調節する壁部品（可視光を通すかもしれないし通さないかもしれない）に転換するものとして採用することが容易となる。
【０１００】
低温状態においては、入射光が、透過性基板１０４、減衰器１０６およびインシュレータ１１３／帯域反射器１０１を通過すると、その入射光は、ダウンコンバータ１０２に当たり、そのダウンコンバータ１０２においては、前記入射光が、そのエネルギーが建物内部にではなく建物外部に向かって誘導されるように、赤外光に変換され、再放射され、そして、帯域反射器１０１から反射する。ダウンコンバータ１０２とインシュレータ１１３／帯域反射器１０１との間にエアギャップを設けることも可能であるが、このことは、一般に、効率的ではなく、なぜなら、ダウンコンバータ１０２によって解放されたエネルギーのうちの多くの部分が、建物内部よりむしろ、このエアギャップの加熱に向けられるからである。この極端な場合においては、建物内部自体の内側にある対象物および表面が、ダウンコンバータとして作用し得るが、それら対象物および表面は、本質的に、高い吸収性および放射性を有しない限り、ダウンコンバータという役割を果たすには非効率的である。しかし、この場合には、前記エアギャップと建物内部のエアとは、まったく同一である。
【０１０１】
図１０は、建物のエクステリアを覆うときに使用されるガラス製スパンドレルという形態を有するＴＳＯＤフィルタ１００の一実施例を示している。スパンドレルは、一般的には、ガラス製エクステリア（ただし、不透明材料も使用されるかもしれない）を有するセクション（区画）であって、建物のうち、複数の窓間のセクションに掛け渡されて窓であるようにも見えるが、実際には、前記建物のうち、建物ハウジング機械設備(building housing mechanicals)（例えば、ドロップ天井上の空間、および窓の下方にある床放射器の背後にある空間）の領域を覆う。図１０に示すように、建物のエクステリアから始まるスパンドレル層は、熱変色性減衰器１０６に隣接した１枚の一般的な窓ガラス１０４を含むことが可能である。熱変色性減衰器１０６の内面は、低放射膜１０１（例えば、インジウム・スズ酸化物）であって帯域遮断器(bandblock)として機能するものによって被覆してもよい。この低放射膜１０１は、スパンドレルについての本実施形態においては、ＴＳＯＤフィルタ１００の機能にとって任意に選択可能な部品であるが、後述のように極めて有用であるかもしれない。
【０１０２】
黒体放射器（例えば、黒色に着色された鋼製プレート）は、ダウンコンバータ１０２として作用する可能性があるし、エアギャップ１１３を形成するために熱変色性減衰器１０６から離れた位置に配置される可能性もある。そのエアギャップ１１３は、前述の実施形態において説明したように、透過性インシュレータとして機能する。第１の低放射膜１０１は、入射光内の赤外エネルギーのうちの大部分がエアギャップ１１３に到達することを遮断し、それによってエアギャップ１１３の遮断能力を向上させることにより、エアギャップ１１３の加熱を抑制することを支援する。第２の低放射膜１０３（例えば、インジウム・スズ酸化物）は、ダウンコンバータ１０２の外面を被覆し、帯域遮断器(bandblock)として機能する。図１０に示すように、第２の熱変色性減衰器１１９は、ダウンコンバータ１０２と第１の熱変色性減衰器１０６との間のエアギャップ１１３内に任意に挿入することが可能である。その第２の熱変色性減衰器１１９の使用時には、その第２の熱変色性減衰器１１９が、エネルギー蓄積材料１１８に、熱が直接にまたは間接に伝わるように接触し、それにより、エネルギー蓄積材料１１８の温度変化に応答する。
【０１０３】
裏板１２０が、スパンドレルの内面を形成する。その裏板１２０は、もう１枚のガラス板または１枚のプラスチック製もしくは金属製のシートとすることが可能である。裏板１２０は、ギャップを形成するために、ダウンコンバータ１０２から離れた位置に配置される。そのギャップは、エネルギー蓄積型の相変化材料１１８（例えば、ワックスまたは塩）によって充填され、そのエネルギー蓄積型の相変化材料１１８は、熱エネルギーを蓄積したり解放したりするために存在する。裏板１２０の内面は、また、美観向上のための表面処理材（例えば、塗料または薄い化粧しっくい）によって被覆することも可能である。
【０１０４】
動作中、第１の熱変色性減衰器１０６であってスパンドレルの外面側において窓ガラス１０４に隣接するものは、第１の熱変色性減衰器１０６が、周辺外気温が例えば０−１０℃より高いときに入射光を遮断することとなる中間温度(transition temperature、過渡温度）を有するように選択することが可能である。この方法によれば、その入射光は、適度に暖かいかまたは暑い日にスパンドレルを通過して前記建物を暖房することはない。しかし、周辺外気温が例えば０−１０℃より低いときには、熱変色性減衰器１０６は、入射光を、ＴＳＯＤフィルタ１００を通過してダウンコンバータ１０２に到達するようにする。ダウンコンバータ１０２は、その入射光を吸収するとともに、赤外波長においてエネルギーを放出する。第２の低放射膜１０３は、ダウンコンバータ１０２から放射された赤外エネルギーの大部分を反射するとともに、このエネルギーがＴＳＯＤフィルタ１００から、建物の外面において放出することを防止する。したがって、ダウンコンバータ１０２によって放出された赤外エネルギーは、エネルギー蓄積型の相変化材料１１８に誘導される。
【０１０５】
相変化材料１１８は、赤外エネルギーを熱エネルギーとして蓄積し、その赤外エネルギーは、裏板１２０を介した伝導により、建物の内部に移動する。建物の内部温度が相変化材料１１８の温度より低い限り、熱伝導により、熱が相変化材料１１８から建物に移動する。しかし、相変化材料１１８が完全に融解すると、その相変化材料１１８は、熱エネルギーをさらに吸収することが不可能となり、また、エアギャップ１１３が、建物の外部への実質的な熱移動を効果的に阻止するため、相変化材料１１８は、余分な熱エネルギーを建物に放射する。このような熱暴走状態(thermal runaway condition)は、建物の内部が目標室温に到達するまでは、許される可能性がある。しかし、ＴＳＯＤフィルタ１００をさらに制御しないと、熱暴走状態にある相変化材料１１８は、建物を過熱し得る。
【０１０６】
第２の熱変色性減衰器１１９は、潜在的な熱暴走を調節して建物の過熱を防止するために、任意に設けることが可能である。このような実施例においては、第２の熱変色性減衰器１１９の前記中間温度が、室温（例えば、２０℃）に近い温度であるように選択することが可能である。したがって、室温以下では、第２の熱変色性減衰器１１９は、相変化材料１１８を加熱するために、すべての入射光を通過させてダウンコンバータ１０２に入射させる。エアギャップ１１３により、第２の熱変色性減衰器１１９が周辺外気温から遮断され、相変化材料１１８および建物の内部からの熱伝導によって加熱されるのみとなる。しかし、建物の内面が室温と同じ温度に到達し、それにより、相変化材料１１８およびダウンコンバータ１０２も室温と同じ温度となると、第２の熱変色性減衰器１１９は、図１０に示すように、低温状態においても、入射光がダウンコンバータ１０２に到達することを阻止する状態に移行し、それにより、建物の内面の熱暴走および過熱を防止する。
【０１０７】
ＴＳＯＤフィルタについての複数の例示的な実施形態が本明細書に文章によって説明されるとともに図示されているが、ＴＳＯＤフィルタは、それら具体的な構成に限定されないことを理解すべきである。特定の用途または特定の製法についての要求を満たすために、任意に選択可能な部品を追加したり移動させてもよく、また、ある実施形態において通常は２個有するバンドブロックフィルタのうちの１個のバンドブロックフィルタのような部品の省略を例えば行うことにより、いくつかの実施形態についての低級版を提供することが可能である。ＴＳＯＤフィルタを製作するために、広範囲にわたる他の材料を使用することが可能であり、それら材料は、金属、セラミック、ガラス、ナノ構造フォトニック材料およびマイクロ構造フォトニック材料を含み、さらに、氷、液体および蒸気さえ含む。ＴＳＯＤフィルタは、それの断熱特性を向上させるように設計された特徴を有することが可能であり、そのような特徴は、エアギャップ、ガスギャップ、真空ギャップ、泡、ビーズ、ファイバー・パッドまたはエアロゲルを含むが、それらに限定されない。ＴＳＯＤフィルタは、車両または建物の壁についての構造部品として機能するのに十分に厚く、かつ、硬質とすることが可能である。ＴＳＯＤフィルタは、複合表面によって包囲したり、複合表面上に形成することが可能である。ＴＳＯＤフィルタは、美観を増すために色で強調したり、より一般的な建材に近似するように偽装(camouflage、カムフラージュ)してもよい。低温時であるか高温時であるかを表示するために、熱変色性顔料を特定の表面に付加してもよい。部品の向きを変更するために機械的な補助部品(mechanical enhancements)を追加することが可能であり、その目的は、前記部品を入射光に対向させたりその入射光から退避させること、または、前記部品の波長応答性もしくはみかけの板厚を変更することにある。前述の種々の層の具体的な構成は、本明細書に記載されているものとは異なる構成とすることが可能であり、当該ＴＳＯＤフィルタの本質的な構造および機能を変更することなく、（選択された材料および波長に応じて）互いに異なる複数の層(different layers)を、複数の合体層(single layers)、複数の合体対象物(single objects)、複数の合体デバイス(single devices)または複数の合体材料(single materials)（例えば、エネルギー吸収型の相変化材料であって、熱変色性減衰器または帯域反射器でもあるもの）に結合することが可能である。
【０１０８】
上述の説明においては、多くの具体的事項が存在するが、それら具体的事項は、本発明の範囲を制限するものとして解釈すべきではなく、むしろ、本発明のいくつかの例示的な実施形態についての説明にすぎないと解釈すべきである。それら具体的事項は、当該デバイスを、別の材料を用い、かつ、別の構成を有するように製作する種々の可能性である。例えば、その構成は、膨張しないものとすることが可能であり、また、通常の空気中ではなく、水中または真空中での使用に最適化することが可能である。アップコンバージョンは、一般に、ダウンコンバージョンより効率的ではないが、特にアップコンバージョン技術の進歩がアップコンバージョン処理の効率を改善する場合には、いくつかの用途において、ダウンコンバータに代えてアップコンバータを使用することが可能である。そのような実施形態は、本発明に属するものとして特許請求の範囲に明示的に記載されている。
【０１０９】
ＴＳＯＤフィルタの動作に係る本質的原理を損なわない多数の他の変形例が存在する。例えば、ダウンコンバータは、リン光体またはシリコンのような単一素材によって構成することが可能であり、テルル化カドミウムのような化合物半導体によって構成したり、または、ドーピングされた材料、ナノ構造材料またはマイクロ構造材料によって構成することが可能であり、それら材料は、カスタム・メイド(custom)のフォトニック結晶を含むが、これに限定されない。ダウンコンバータは、単結晶、多結晶またはアモルファスにより構成することができる。ダウンコンバータは、量子井戸、複数本の量子細線の配列、または規則正しく配列された複数の量子ドットにより成る「結晶」とすることが可能である。ダウンコンバータを、液体としたり、蒸気としたり、または固体ポリマではないある溶媒にナノ粒子、ナノ細線、ナノフレーク等が浮遊しているものとすることも考えられる。様々な角度からの入射光の集光を支援するために、少なくとも一つのバンドブロックフィルタを、非平面形状（例えば、放物線状）としたり、または、他の形状を有する反射器もしくは同様なデバイスを組み込むことが可能である。
【０１１０】
本発明を温度調整型建材として実施することを、ＴＳＯＤフィルタを慎重に配置することにより、例えば、そのＴＳＯＤフィルタを、家の南面上のひさしの下方に配置し、それにより、ＴＳＯＤフィルタが、冬の日々には、完全に太陽光に照らされ、また、太陽がより高く空に位置する夏の日々には、前記ひさしによって日陰となるようにすることにより、改善してもよい。これに対し、ＴＳＯＤフィルタを、従来の天窓に代えて使用したり、一般的なガラス窓またはガラス製ブロックに付着されるパネルまたはアップリケとして使用することが可能である。
【０１１１】
以上、本発明の種々の実施形態を、ある程度の具体性を有するか、または、少なくとも一つの個別の実施例を参照しながら、説明してきたが、当業者であれば、本発明の主旨からも範囲からも逸脱することなく、前述の開示された実施形態に対して多くの変更を加えることが可能である。方向についての言及、例えば、近位、遠位、上側、下側、内側、外側、上方向、下方向、左方向、右方向、横方向、前側、後側、上端、下端、上方に、下方に、垂直、水平、時計方向および反時計方向は、読者が本発明を理解することを助けるために、区別という目的においてのみ使用され、本発明を、特に、位置、向きまたは使用法に関して限定することはない。接続に関する言及、例えば、装着、連結、接続および接合は、広く解釈すべきであり、特記されない限り、複数の要素の集まり間に介在する中間部材、および複数の要素間の相対運動を含むことが可能である。したがって、接続に関する言及は、２つの要素が直接的に接続されるとともに互いに一体的であることを必ずしも意味しない。文章による前述の説明に含まれるか、または本明細書に添付された図面中に図示されたすべての事項は、本発明の説明のみを目的としており、本発明の範囲を限定しないものと解釈すべきであることが意図される。後続する特許請求の範囲において定義される本発明のうちの基本的な要素から逸脱することなく、詳細部または構造を変更することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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